一種高能氣體射流巖石鑽進方法和裝置與流程
2023-05-17 17:05:26 1
本發明涉及巖石鑽進技術領域，具體而言涉及一種高能氣體射流巖石鑽進方法和裝置。
背景技術：
當前在能源開採和隧道、礦井建設開發領域，鑽進遇到硬巖和特硬巖，鑽進速度會極大地降低，日進度只有幾米甚至零點幾米。而且硬巖鑽進施工中鑽頭及刀具損耗特別嚴重，鑽頭及刀具成本佔較大比例，且巖體石質越硬，刀具費用比例就越高，在一些超硬巖地段掘進時，刀具費用佔了掘進成本的百分之三十。因此，提高鑽進效率，減少刀具消耗，能有效降低硬巖掘進成本。
現有研究表明，人造金剛石，陶瓷塗層等新型刀具材料在一定程度上可以提高刀具的耐磨性及耐久性，但是此類新型刀具對鑽進效率提高不顯著，且刀具材料成本高昂，使其難以大面積推廣。火鑽技術雖然有助於擴張巖石裂隙及增加巖石內由於溫差引起的應力從而提高鑽進速度，但是鑽頭的使用壽命較低，在深井鑽進時，頻繁的更換鑽頭會大大降低整個鑽進速率。另外，鑽進過程中排屑不暢會造成鑽杆內扭矩過大、卡鑽和等鑽等問題從而影響鑽進速度。有鑑於此，為解決傳統鑽頭在鑽進時遇到的此類問題，必須從多角度考慮對現有鑽頭技術進行革新，提出一種高能氣體射流巖石鑽進方法和裝置。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術缺陷，本發明提供一種高能氣體射流巖石鑽進方法和裝置。
為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：一種高能氣體射流巖石鑽進方法，包括以下步驟：
S1：空氣壓縮裝置將空氣進行加壓，加壓形成的高壓氣流通過鑽杆內的燃燒室氣道流入燃燒室與燃料燃燒，反應生成高溫高速氣體；
S2：高溫高速氣體從孕鑲體鑽頭上的噴嘴噴出，對鑽頭附近的巖體進行加熱，孕鑲體鑽頭轉動，孕鑲體中的鑲嵌體氮化矽(S i3N4)對被加熱後的巖體進行切削；細小巖屑和鑽頭噴出的高溫高速氣體形成氣溶膠，氣溶膠被高速氣體帶出，其餘巖屑在高速氣體加速和推動作用下被排出。
優選地，所述被加壓的高壓氣流在進入燃燒室時速度在800～1200m/s之間，從鑽杆杆壁的噴嘴噴出的速度在700～1100m/s之間，和燃料燃燒反應後的高溫高壓氣體從孕鑲體鑽頭上的噴嘴噴出的速度在1600～1850m/s之間。
一種高能氣體射流巖石鑽進裝置，其主要包括孕鑲體鑽頭、衝壓燃燒室、燃燒室氣道、排屑氣道、油料管道、鑽杆、動力裝置、油料供應裝置、空氣加壓裝置、氣溶膠及巖屑收集罩和過濾裝置。
所述孕鑲體鑽頭上布有7-19個高溫高壓氣流噴嘴，所述孕鑲體鑽頭與鑽杆末端內的燃燒室相連通，所述燃燒室與燃燒室氣道和油料管道相連通，所述鑽杆內布有1個燃燒室氣道、2～4個排屑氣道、1個油料管道，所述油料供應裝置的油料管道和鑽杆內的油料管道相連通，所述氣體壓縮裝置的氣體壓縮管道和鑽杆內的燃燒室氣道和排屑氣道相連通，所述的巖屑及巖屑氣溶膠收集罩布置在孔口並與所述的過濾裝置相連通。
優選地，所述孕鑲體鑽頭是由碳化矽(S iC)粘結而成的胎體與氮化矽(S i3N4)鑲嵌體構成的耐高溫鑽頭。
優選地，在孔口處安裝有收集罩，收集被排出的巖屑及巖屑氣溶膠，收集罩與過濾裝置相連通，巖屑和氣體被分離，處理後的氣體被排放。
優選地，所述排屑氣道布置在鑽杆內，排屑氣道的噴口斜反向布置在鑽杆壁上。
優選地，所述鑽杆之間的連接採用螺紋連接，端面有凹槽和突出體相扣。
優選地，所述高溫高壓氣流噴嘴直徑為3～6mm，排屑氣流噴嘴直徑為6～10mm，燃燒室氣道直徑為12～18mm，排屑氣道直徑為6～12mm。
本發明的有益效果是：
①本發明採用新型結構陶瓷材料的孕鑲體鑽頭進行鑽進，其中孕鑲體鑽頭的鑲嵌體氮化矽(Si3N4)是一種超硬物質，本身具有潤滑性，並且耐磨損，Si3N4為原子晶體，高溫時抗氧化，而且它還能抵抗冷熱衝擊，能對巖體進行高效的切削但自身只受極少的磨損，其中孕鑲體鑽頭的胎體由碳化矽(SiC)粘結而成，具有耐高溫而且經濟的特點，更重要的是當胎體被一點點消磨掉後，胎體孕含的新的鑲嵌體又得以露出來繼續對巖體進行切削，綜上，本發明採用硬度大的鑽頭鑲嵌體能很好地提高鑽頭對巖體的切削效率，採用孕鑲結構能極大地提高鑽頭的耐久性，很有效解決了鑽深井時頻繁換鑽頭的問題。
②本發明採用高溫高壓氣流對巖石進行加熱，由於巖石導熱性差，被加熱部位的熱量難以傳導給其他部位使巖石內部產生由於溫差引起的巨大應力，在鑽頭切削和氣流噴射的共同作用下，小巖塊被迅速地從巖體上剝落，進一步提高了鑽進效率；同時鑽頭和鑽杆壁處噴出的高速氣流推動巖屑排出鑽孔，部分巖屑和氣體形成氣溶膠被帶出鑽孔，整個鑽孔內幾乎不會滯留巖屑，解決了鑽進中卡鑽、等鑽的問題，也消除了由於巖屑滯留引起的鑽杆扭矩過大的問題。
③本發明中鑽杆和鑽杆間用螺紋配合端面卡槽的設計使螺紋壁上的應力得到分散，限制了鑽杆間的相對轉角位移，解決了由於相對轉角位移引起的氣道和油料管道堵塞的問題。除此之外，孔口處巖屑及巖屑氣溶膠收集罩收集排出的巖屑氣溶膠被導入到過濾裝置，用水射流噴射和水霧吸附等方式使巖屑和氣體分離，防止巖屑粉塵對空氣的汙染。
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步描述。
附圖說明
圖1為本發明優選實施例的結構示意圖；
圖2為孕鑲體鑽頭的示意圖；
圖3為燃燒室的剖視圖；
圖4為鑽杆之間連接部分示意圖。
圖中：1是動力裝置，2是油料供應裝置，3是空氣壓縮裝置，4是過濾裝置，5是油料管道，6是收集罩，7是壓縮氣體管道，8是反向噴嘴，9是孕鑲體鑽頭，10是鑽杆，11是排屑氣道，13是燃燒室氣道，14是鑽頭噴嘴，15是鑲嵌體，16是胎體，17是衝壓燃燒腔，18是油料噴嘴，19是端面卡槽凸體，20是端面卡槽凹槽。
具體實施方式
為了更充分理解本發明的技術內容，下面結合附圖1-4和實施例對本發明的技術方案作進一步介紹和說明。
一種高能氣體射流巖石鑽進方法，包括以下步驟：
空氣壓縮裝置(3)將空氣進行加壓，加壓形成的高壓氣流通過鑽杆內的燃燒室氣道(13)流入燃燒室，油料供應裝置(2)通過油料管道(5)向燃燒室供應油料，高壓氣流和油料在衝壓燃燒腔(17)燃燒，反應生成高溫高速氣體，高溫高速氣體從孕鑲體鑽頭(9)上的13個噴嘴(14)噴出，對鑽頭附近的巖體進行加熱和切削。
優選地，動力裝置(1)通過鑽杆(10)帶動孕鑲體鑽頭(9)轉動，孕鑲體鑽頭(9)上的鑲嵌體(15)氮化矽(Si3N4)對被加熱後的巖體進行切削。
優選地，另一部分加壓形成的高壓氣流流入鑽杆內的排屑氣道(11)，通過鑽杆杆壁上的反向噴嘴(8)噴出推動巖屑加速排出鑽孔；同時這些氣流可以和部分巖屑形成氣溶膠，增強了巖屑的流動性，更有利於巖屑被排出鑽孔。
優選地，所述被加壓的高壓氣流在進入燃燒室時速度在800～1200m/s之間，從鑽杆(10)杆壁的反向噴嘴(8)噴出的速度在700～1100m/s之間，和燃料燃燒反應後的高溫高壓氣體從孕鑲體鑽頭上的噴嘴(14)噴出的速度在1600～1850m/s之間。
優選地，被排出的巖屑和巖屑氣溶膠在孔口處被收集罩(6)收集並送入到過濾裝置(4)進行處理，用水射流噴射和水霧吸附等方式使巖屑和氣體分離，處理後的無粉塵氣體被排放到大氣中。
如圖1所示，為本發明的優選實施例的結構示意圖。一種高能氣體射流巖石鑽進裝置，包括孕鑲體鑽頭(9)、燃燒室、燃燒室氣道(13)、排屑氣道(11)、油料管道(5)、鑽杆(10)、動力裝置(1)、油料供應裝置(2)、空氣加壓裝置(3)、氣溶膠及巖屑收集罩(6)和過濾裝置(4)。所述孕鑲體鑽頭上布有13個高溫高壓氣流噴嘴(14)，所述孕鑲體鑽頭(9)與鑽杆末端內的燃燒室相連通；所述燃燒室截面如圖3所示，燃燒室由燃燒室氣道(13)、油料管道(5)、油料噴嘴(18)和衝壓燃燒腔(17)組成；所述鑽杆內布有1個燃燒室氣道(13)、2～4個排屑氣道(11)、1個油料管道(5)，所述油料供應裝置(2)的油料管道(5)和燃燒室內的油料管道(5)相連通，所述氣體壓縮裝置(3)的壓縮氣體管道(7)和鑽杆內的燃燒室氣道(13)和排屑氣道(11)相連通，所述的巖屑及巖屑氣溶膠收集罩(6)布置在孔口並與所述的過濾裝置(4)相連通。在對巖體進行鑽進時，鑽頭上的高溫高速氣流噴出對鑽頭附近的巖體進行加熱使巖體表面產生細小的裂隙，另外巨大溫差讓巖石內部產生應力，在鑲嵌體(15)的切削下，細小巖塊迅速被剝落下來，這些巖屑又立即被高速氣流帶走，巖體上產生的新的表面又被加熱，反覆進行這樣的過程，巖體被迅速鑽出孔洞；所述孕鑲體鑽頭處鑽出的巖屑被高溫高壓氣流帶到鑽杆與孔壁間的位置時，又被鑽杆壁上的排屑氣流推動和加速，更快地被排出孔洞；所述鑽杆連接如圖4所示，鑽杆與鑽杆的連接部分有螺紋連接部分和端面卡槽兩部分組成，螺紋旋轉使兩端面接近時，端面卡槽凸體(19)和端面卡槽凹槽(20)相扣使兩端面在巨大扭矩下也不會發生相對轉動以保證各種氣道和油料管道的通暢。
本高能氣體射流巖石鑽進方法和裝置的具體工作過程如下：空氣壓縮裝置(2)將空氣進行加壓，加壓形成的高壓氣流通過鑽杆內的燃燒室氣道(13)流入燃燒室與油料燃燒反應生成高溫高速氣體，高溫高速氣體從孕鑲體鑽頭上的13個噴嘴(14)噴出，對鑽頭附近的巖體進行加熱和切削；孕鑲體鑽頭(9)在動力裝置(1)提供的扭矩作用下對巖體進行切削；巖體在高溫高壓氣流和鑽頭的共同作用下被迅速地切削。
以上所述為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進應包含在本發明的保護之內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及同等物界定。同時，儘管本文較多地使用了動力裝置(1)，油料供應裝置(2)，空氣壓縮裝置(3)，過濾裝置(4)，油料管道(5)，收集罩(6)，壓縮氣體管道(7)，反向噴嘴(8)，孕鑲體鑽頭(9)，鑽杆(10)，排屑氣道(11)，燃燒室氣道(13)，鑽頭噴嘴(14)，鑲嵌體(15)，胎體(16)，衝壓燃燒腔(17)，油料噴嘴(18)，端面卡槽凸體(19)，端面卡槽凹槽(20)等術語，但並不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發明的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發明精神相違背的。