Спосіб заповнення нисхідних свердловин речовиною в рукав і пристрій для його здійснення

Настоящее изобретение относится к взрывным работам, точнее - к зарядам для взрывных работ и может быть использовано при заряжании вертикальных или крутонаклоненных сухих и обводненных скважин взрывчатым веществом в контейнерах (рукавах), а также при необходимости размещения в скважинах какихлибо сыпучих или жидких ве ществ, упакованных в пленочные рукава. Известны также способ и устройство для упаковки вещества в пленочный рукав в сухой и обводненной скважинах [1]. Способ включает, герметизацию и размещение в устье скважины одного конца рукава необходимой длины, предварительно уложенного на пустотелую направляющую, подачу в р укав через его второй, открытый конец необходимого количества вещества, а также торможение рукава при его перемещении в скважине под весом вещества. В этом способе учитываются не все закономерности процесса формирования столба вещества при его подаче в рукав, перемещении рукава в скважине, а также последующей усадки вещества в скважине, что приводит к излишнему расходу рукава, который создает складки и пробки в столбе упаковываемого вещества и, как следствие, приводит к снижению качества подготовки заряда и снижению эффективности взрыва. Известное устройство [1], реализующее приведенный способ включает пустотелую направляющую (гильзу), в верхней части которой установлена воронка для подачи вещества, а в нижней части тормозное кольцо, представляющее собой конус, широким концом обращенный к скважине. Рукав укладывается в виде "гармошки" по наружной поверхности гильзы и при перемещении в скважину под весом вещества, тормозится за счет трения его внутренней поверхности о тормозное кольцо. Лежащий в основе этого устройства принцип торможения внутренней поверхности рукава о конусную поверхность тормозного кольца, не обеспечивает регулирования и стабилизации силы торможения рукава, приводит к значительным деформациям материала и неоправданному расходу рукава, что ухудшает качество упаковки вещества и те хнические характеристики заряда. Процессы подачи вещества в рукав и последующей усадки столба вещества в рукаве сопровождаются негативными эффектами, препятствующими формированию непрерывного столба вещества от нижней части рукава, а также значительно превышающими расход рукава по отношению к минимально необходимому его количеству, связанному только с длиной скважины. Наиболее существенным из негативных эффектов является потеря жесткости рукава, находящегося под перемещающимся в нем веществом и образование складки ложного дна, через которую ве щество не может просыпаться со скоростью его подачи в рукав. В этом случае рукав, расположенный ниже образующейся складки, ввиду незначительной продольной жесткости сжимается под действием веса вещества, находящегося над складкой и перемещается вниз до вещества, размещенного внизу до образования складки. В столбе вещества образуется пробка из материала рукава, расход рукава резко возрастает, а при недостаточном его запасе верхний конец обрывается и уходит в скважину. Это делает невозможным осуществление процесса дальнейшего размещения вещества в р укаве. Технической задачей группы изобретений, связанных между собой единым изобретательским замыслом, является усовершенствование способа и устройства для заполнения нисходящих скважин веществом в рукав в сухой и обводненной скважинах путем уче та влияния закономерностей процессов формирования столба вещества при его подаче в рукав, перемещения рукава по скважине и последующей усадки вещества в рукаве в скважине, путем снижения величины растягивающих деформаций рукава при торможении, обеспечения увеличения и изменения силы торможения по требуемому закону и снижения ее зависимости от диаметра рукава, обеспечения возможности расчета необходимой длины рукава и силы торможения для упаковки в рукаве требуемого количества вещества, устранения складкообразования и скручивания рукава и улучшения технических характеристик заряда. Поставленная задача решается тем, что в способе заполнения нисходящих скважин веществом в герметичный рукав, включающем удержание над скважиной открытого конца рукава конечной длины, уложенного с возможностью его расхода, подачу ве щества в р укав и торможение рукава, согласно изобретению торможение рукава осуществляют с силой, превышающей или равной силе трения вещества о рукав. Основным фактором, определяющим качество формирования столба вещества в герметичном рукаве является поддержание натянутого состояния рукава при его расходе, который должен происходить пропорционально по мере его заполнения веществом, чтобы избежать образования складок рукава, а это может быть достигнуто только путем торможения расходной части рукава, что прежде всего зависит от сил, воздействующих на рукав, основными из которых являются сила трения подаваемого вещества о рукав и сила веса вещества, помещаемого в рукав. Торможение рукава с силой, превышающей силу трения подаваемого вещества о' внутреннюю поверхность рукава исключает складкообразование рукава в скважине и тем самым обеспечивает выбор оптимальной длины рукава. При этом, удержание открытого конца рукава осуществляют с силой, превышающей силу торможения рукава, что обеспечивает условия заполнения веществом рукава и предотвращает сход о ткрытой верхней части рукава в скважину. Основополагающим существенным признаком настоящего изобретения является условие торможения расходуемой части рукава с силой, превышающей или равной силе трения вещества о стенки рукава, так как выполнение этого условия обеспечивает натянутое состояние рукава, которое исключает образование складок и пробок, влияющих на конечный результат, а именно качественное формирование столба вещества в скважине и, как следствие - эффективное действие взрывчатого вещества. Следствием выполнения этого условия является возможность расчета необходимой исходной длины рукава. Исходную длин у р укава выбирают по следующей зависимости Lр=Кв×Пв + (1+Кп×[Е])×Нп, м (1) где Lp - минимальная длина рукава, обеспечивающая размещение в нем всего необходимого количества вещества , м; Кв - коэффициент запаса рукава на формирование столба вещества; Нв - высота столба ве щества, м; Кп - коэффициент предохранительного запаса рукава; [Е] - предельная продольная деформация материала рукава; Нп - высота незаполненной части рукава над веществом, м. Эта зависимость определяет минимальную длину исходной части рукава до его заполнения веществом, которая учитывает факторы, влияющие на расход рукава при его загрузке. Выбор необходимой длины рукава не менее Lp(1) обеспечивает возможность заполнения рукава всем необходимым количеством вещества, так как учитывает закономерности проходящих при этом процессов, а именно: усадки вещества в результате его уплотнения под действием удара падающего вещества в процессе его подачи и веса вещества, увлажнения вещества при попадании воды в рукав в обводненной скважине и тд.; а также винтового изгиба столба вещества, упакованного в рукав, диаметром меньше скважины, и деформаций столба вещества, связанных с неровностями скважины. Кроме того в формуле (1) учитывается влияние изменения климатических условий и геотехнических процессов при длительном нахождении вещества в скважине. При длине рукава меньшей Lp, весь рукав переместится в скважину до завершения подачи в него всего необходимого количества вещества или после завершения подачи вещества при длительном нахождении столба вещества в скважине. В этом случае в р укав не войдет необходимое количество вещества и исключается возможность контроля параметров столба вещества (высоты и массы), и при существенном их изменении - возможность их коррекции. С начала перемещения рукава до достижения его герметизированным концом дна скважины или границы воды в скважине подачу ве щества прекращают или продолжают с производительностью, не превышающей Q=1,74 (Do)2 V I, кг/сек (2) Do - эквивалентный внутренний диаметр рукава; V - плотность вещества, кг/м; I - высота уложенного на пустотелую направляющую р укава, м. Прекращением подачи вещества в рукав при выполнении указанных условий обеспечивается снижение требуемой силы торможения расходуемой части рукава. Это объясняется тем, что при этом устраняется возможность зажима потока вещества рукавом, сдавленным атмосферным давлением, при непрерывной подаче вещества и быстром перемещении рукава. Сдавливание рукава происходит из-за нехватки воздуха в р укаве, обусловленной перекрытием открытого конца рукава потоком подаваемого вещества. Это условие предотвращает образование складок рукава в момент достижения концом рукава с веществом дна скважины или уровня воды в скважине, когда под воздействием силы инерции продолжается перемещение рукава. Ограничение производительности потока вещества величиной Q обеспечивает снижение требуемой силы торможения рукава. При таком ограничении в рукаве остается пространство для прохода воздуха одновременно с потоком вещества, что и устраняется сдавливание рукава атмосферным давлением. Это условие обеспечивает равномерность заполнения рукава и предотвращает резкое изменение скорости перемещения рукава при превышении баланса веса вещества над усилием торможения рукава. При отсутствии подачи вещества торможение рукава осуществляют с силой, превышающей силу трения рукава о стенки скважины. Это условие необходимо для исключения образования складок рукава при его перемещении в скважине под действием веса размещенного в нем вещества. Торможение рукава осуществляют с силой, пропорциональной скорости перемещения рукава с резким увеличением при его остановке. Торможение с силой, изменяющейся от скорости перемещения рукава с минимальным значением при заданной скорости перемещения рукава по скважине, в начале процессе загрузки, резким увеличением при остановке рукава, до первоначального значения, соответствующего моменту начала перемещения рукава по скважине и увеличением до значения, превышающего первоначальное при скорости перемещения рукава, превышающей допустимую, исключает складкообразование в обводненной скважине, а также снижает вероятность порыва рукава о выступы в скважине и при ударе о дно скважины, т.е. повышает надежность упаковки вещества в рукав. Это осуществляется за счет стабилизации скорости перемещения рукава при указанной силе торможения, на заданном уровне, исключающем резкое потопление рукава с веществом в воде и возможность его возврата под действием выталкивающей силы, а также преждевременного потопления части рукава, заполненной веществом, при перерыве подачи вещества в р укав. При подаче вещества в рукав в него подают воздух под давлением, равным или превышающем атмосферное. Это условие обеспечивает предотвращение возможного слипания стенок рукава от воздействия вакуума, образующегося в процессе подачи вещества в рукав и способствует снижению необходимой силы торможения. Заявляемый способ реализуется устройством, которое обеспечивает условия выполнения операций способа для достижения требуемого технического результата. В устройстве для реализации способа заполнения нисходящих скважин веществом в рукав, содержащем пустотелую направляющую, уложенный на ней и закрепленный открытым концом в ее верхней части, закрытый с другого конца рукав, с возможностью его расхода, и средство торможения, согласно изобретению, средство торможения установлено в кольце, размещенным в нижней части пустотелой направляющей с возможностью ее охвата и выполнено в виде радиально расположенных упругих элементов, каждый из которых одним концом жестко закреплен в кольце, а другим прижат к рукаву. Предлагаемое устройство реализует торможение рукава о стенки пустотелой направляющей и упругие элементы за счет увеличения силы трения материала рукава о материал пустотелой направляющей и материал, из которого изготовлены упругие элементы, создающие усилие прижатия рукава к пустотелой направляющей. Средство закрепления открытого конца рукава в верхней части пустотелой направляющей может быть выполнено в виде эластичного кольца, охватывающего р укав. При полном расходе рукава эластичное кольцо может перемещаться вместе с рукавом к упругим элементам средства торможения и заклиниваться в них, дополнительно резко увеличивая силу торможения рукава, что предотвращает сход открытого конца рукава в скважину. Упругие элементы размещены равномерно по периметру пустотелой направляющей, тем самым создавая равномерное по всему периметру пустотелой направляющей усилие прижатия рукава к ней. Упругие элементы выполнены криволинейными с концами, обращенными в сторону перемещения рукава с образованием контактной поверхности с рукавом. Указанное отличие, обеспечивает торможение с силой, изменяющейся от скорости перемещения рукава с резким увеличением от минимального значения при остановке рукава и увеличением до значения, превышающего начальное по мере роста скорости. Это достигается за счет того, что трение покоя криволинейных и прижатых к рукаву упр уги х элементов выше трения скольжения. При увеличении скорости перемещения рукава увеличивается изгиб упругих элементов. При этом увеличивается площадь их контакта с рукавом и сила прижатия рукава к пустотелой направляющей, вследствие перемещения по радиусу, относительно точек закрепления упругих элементов в кольце, отклоненных первоначально в сторону, противоположную движению рукава их концов. Смежные упругие элементы соединены между собой эластичными перепонками, выполненными с соблюдением условия Sщ>(Pi/n) (Dp-Dт) d, м (3) Sщ - площадь щели, образуемой линиями пересечения с поперечно секущей пустотелую направляющую плоскостью, наружной поверхности пустотелой направляющей, боковых поверхностей упруги х элементов перепонки, м 2; Pi - постоянная, равная 3,14; n - количество упруги х элементов; Dp - диаметр рукава, м; Dт- эквивалентный наружный диаметр направляющей, м; d - толщина рукава, м. Соединение смежных упруги х элементов между собой эластичными перепонками дополнительно повышает силу торможения рукава, а образование щели площадью более Sщ между перепонками, пустотелой направляющей и упругими элементами предохраняет от деформаций растяжения материал рукава. В любой поперечно секущей пустотелую направляющую плоскости в области упругих элементов между ними соблюдается расстояние, равное удвоенной толщине рукава при удалении от наружной поверхности направляющей не менее, чем на r=(Pi/(2n))(Dp-Dт), м (4) r - расстояние от наружной поверхности пустотелой направляющей; PI - постоянная, равная 3,14: n - количество упруги х элементов; Dp - диаметр пустотелой направляющей, м; Dт - эквивалентный наружный диаметр пустотелой направляющей, м. Соблюдение этого условия обеспечивает исключение поперечных растягивающих деформаций рукава при его торможении, что повышает силу торможения. Отсутствие поперечных деформаций рукава, а также использование приема торможения путем зажима рукава между направляющей и упругими элементами, устраняет зависимость силы торможения от диаметра рукава. Повышение силы торможения рукава, а также независимость ее от диаметра рукава создает условия для реализации изменяющейся по требуемому закону силы торможения. Упругие элементы выполнены из эластичного материала и армированы упругими вставками переменной жесткости, закрепленными в кольце, что обеспечивает повышение силы торможения путем увеличения жесткости упруги х элементов. Упругие элементы расположены ярусами. Расположение упруги х элементов вдоль пустотелой направляющей в несколько ярусов обеспечивает уменьшение концентрации напряжений, а следовательно и деформации материала рукава, т.к. при этом может быть резко увеличена общая площадь прижатия рукава к пустотелой направляющей. В итоге это увеличивает силу торможения. Кроме того упругие элементы в каждом ярусе могут быть смещены относительно упругих элементов соседних ярусов, что создает равномерное распределение усилий прижатия рукава к пустотелой направляющей и уменьшает вероятность возникновения складкообразования рукава. Закрытый конец рукава выполнен двухслойным, в виде вывернутого отрезка конца рукава. Натянутый на рукав вывернутый отрезок рукава или прикрепленный к закрытому его концу один или несколько отрезков рукава способствуют устранению складкообразования при поперечном растягивании тонкого рукава в процессе его перемещения по скважине под действием веса вещества в результате резкого замедления движения рукава при встрече с неровностями скважины. Кроме того, при использовании отрезков рукава диаметром поперечного сечения меньше диаметра скважины обеспечивается возможность заполнения рукава веществом по данному способу в р укав, диаметр которого превышает диаметр скважины. Это также снижает вероятность порыва основного рукава о стенки скважины. Кольцо может быть соединено с верхней частью пустотелой направляющей неподвижно или шарнирно. Это отличие обеспечивает самоцентрирование средства торможения относительно пустотелой направляющей, что обеспечивает лучшие условия для схода рукава с нее и уменьшает складкообразование рукава. Кольцо также может быть установлено независимо от пустотелой направляющей в скважине, что является эквивалентным признаком и обеспечивает такой же технический результат, а именно торможение рукава. Эластичное кольцо для закрепления открытого конца рукава выполнено с возможностью взаимодействия с рукавом на длине, равной Кп×[Е] Нп, м (5) где Кп - коэффициент предохранительного запаса рукава; [Е] - предельная продольная деформация материала рукава при растяжении; Нп - высота незаполненной части рукава над веществом, м. Это условие обеспечивает наличие незаполненной части рукава при завершении процесса заполнения рукава веществом для обеспечения компенсации расхода рукава при усадке вещества, а также торможение нерасходуемой (верхней) части рукава на указанной длине, с силой, превышающей силу торможения расходуемой части рукава, обеспечивает размещение требуемого количества вещества путем коррекции столба вещества при длительном нахождении в скважине, что снижает вероятность перемещения всего рукава в скважину и потерю связи со столбом вещества, которая существует из-за воздействия климатических условий и геотехнических факторов. Совокупность приведенных признаков устройства обеспечивает реализацию способа заполнения нисходящих скважин веществом в герметичный рукав и возможность достижения предъявляемых требований по качеству формирования заряда взрывчатого вещества. В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего настоящее изобретение, примера осуществления устройства для заполнения нисходящих скважин взрывчатым веществом в р укав. На фиг. 1 представлен график действия силы трения вещества о рукав F тр при осуществлении процесса заполнения рукава без складкообразования; на фиг. 2 - график изменения силы торможения рукава F торм от скорости его перемещения W; на фиг. 3 - устройство для заполнения нисходящих скважин взрывчатым веществом в герметичный рукав; на фиг. 4 - фрагмент средства торможения, вид сверху; на фиг. 5 - сечение А-А фиг. 2 (при максимальном усилии торможения); на фиг. 6 - сечение А-А фиг. 2 (при минимальном усилии торможения); на фиг. 7 - сечение упругого элемента из эластичного материала с размещенной в нем вставкой переменной жесткости; на фиг. 8 - сечение средства торможения с ярусным расположением упругих элементов. Заявляемый способ заполнения нисходящих скважин веществом в герметичный рукав характеризуется примером наилучшей реализации. Способ включает удержание над скважиной открытого конца рукава конечной длины, уложенного с возможностью его расхода на пустотелую цилиндрическую направляющую (гильзу). Длина рукава выбирается расчетным путем по формуле (1) с некоторым запасом L>Lp. В качестве материала рукава используют полиэтиленовую пленку, либо любой другой материал, наиболее подходящий для выполнения необходимой функции и хорошо известный специалистам в данной области техники. Рукав заранее, вручн ую или с помощью хорошо известных специалистам в этой области механизмом, укладывают на полую гильзу в виде "гармошки" и закрепляют в ее верхней части. Гильзу устанавливают над скважиной или в устье скважины и через установленную в верхней ее части приемную воронку подают взрывчатое вещество в р укав, закрытый (например перевязанный) ниже гильзы. В формуле (1) коэффициент запаса рукава Кв 1, обеспечивающий формирование столба вещества, определяется следующей зависимостью; Кв=1+Кв1+Кв2+Кв3. (6) где Кв1 - коэффициент расхода рукава на складкообразование в процессе усадки столба вещества; Кв 2 - коэффициент расхода рукава на изгиб столба вещества в скважине; Кв 3 - коэффициент расхода рукава на огибание выступов стенок скважины; Кв 1 связан с усадкой высоты вещества в осевом направлении скважины. В сухом веществе усадка столба вещества связана с его уплотнением под действием веса вещества (в том числе в процессе подачи в рукав) и при длительном нахождении в скважине с воздействием климатических условий. В процессе усадки за счет трения вещества о внутренние поверхности рукава неизбежно его осевое стягивание со складкообразованием. В растворяющемся сухом веществе при попадании воды в рукав уплотнение и усадка происходят в процессе растворения. В обводненной скважине при нарушении герметичности рукава большое влияние на величину усадки оказывает вымывание растворенного вещества из рукава. Сила трения вещества о внутреннюю поверхность рукава является одной из причин образования складки рукава под падающим веществом, так как обусловливает дополнительный сход рукава через средство торможения, сила торможения которого уравновешена весом вещества уже расположенного на дне скважины в конце рукава. Сила трения вещества о рукав связана с разностью скоростей перемещения вещества и рукава. Она определяется свойствами вещества, материалом и состоянием внутренней поверхности рукава. Сила трения вещества о рукав резко возрастает при уменьшении проходного сечения рукава, обусловленного сближением стенок рукава. Это происходит при продольном натяжении рукава под воздействием сил веса и торможения в наклонных скважинах и дополнительно под действием веса материала рукава. Это также возможно под действием атмосферного давления при быстром сходе рукава с пустотелой направляющей без подсоса воздуха. Последнее происходит при непрерывной подаче вещества с производительностью, при которой перекрывается подаваемым веществом все сечение рукава. При этом подаваемое вещество за счет значительных сил трения, обусловленных смыканием стенок рукава под воздействием атмосферного давления зависает в рукаве по всей его длине. Так как в поперечном сечении вещество заполняет рукав частично, в этом случае рукав вместе с веществом под действием его веса будет укладываться на дне в скважине в виде складок. При недостаточном запасе рукава в пакете в конечном итоге весь рукав сойдет в скважину. Процесс размещения вещества не будет осуществлен. Таким образом, процесс заполнения веществом рукава в скважине может быть осуществлен только если сила торможения рукава превышает силы трения вещества о р укав. Сила трения вещества о рукав Fтр при его заполнении в зависимости от условий может изменяться в диапазоне 0