一种高能气体射流岩石钻进方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高能气体射流岩石钻进方法和装置，主要包括孕镶体钻头、燃烧室、燃烧室气道、排屑气道、油料管道、动力装置、油料供应装置、空气加压装置、气溶胶及岩屑收集罩、过滤装置等。空气压缩装置将空气进行加压，加压形成的高压气流通过钻杆内的燃烧室气道流入燃烧室与油料燃烧反应生成高温高速气体，高温高速气体从孕镶体钻头上的喷嘴喷出，孕镶体钻头在动力装置提供的扭矩作用下对岩体进行切削；岩体在高温高压气流和钻头的共同作用下被迅速地切削，排出的岩屑和岩屑气溶胶在孔口处被收集罩收集并送入到过滤装置进行处理。相比现有岩石钻进方法和装置，本发明专利技术具有对岩石钻进效率高、钻头寿命长、排屑快的优点。

High energy gas jet rock drilling method and device

The invention discloses a high energy gas jet rock drilling method and apparatus, including impregnated drill, combustion chamber and combustion chamber airway, chip airway, oil pipelines, power plant, oil supply device, air pressure device, aerosols and debris collecting cover, filter etc.. The air compressor air pressure, high pressure air pressure formed by the combustion chamber within the combustion chamber into the airway pipe and oil combustion reaction of high temperature gas, high temperature gas ejected from the nozzle body impregnated bit, impregnated drill in power device provided for under the action of torque of cutting rock; rock mass the interaction in high temperature and high pressure air flow and drill was quickly cutting, discharged debris and debris aerosol were collected at the opening cover collection and into the filtering device for processing. Compared with the existing rock drilling method and device, the invention has the advantages of high drilling efficiency, long drill life and fast chip removal.

【技术实现步骤摘要】
一种高能气体射流岩石钻进方法和装置
本专利技术涉及岩石钻进
，具体而言涉及一种高能气体射流岩石钻进方法和装置。
技术介绍
当前在能源开采和隧道、矿井建设开发领域，钻进遇到硬岩和特硬岩，钻进速度会极大地降低，日进度只有几米甚至零点几米。而且硬岩钻进施工中钻头及刀具损耗特别严重，钻头及刀具成本占较大比例，且岩体石质越硬，刀具费用比例就越高，在一些超硬岩地段掘进时，刀具费用占了掘进成本的百分之三十。因此，提高钻进效率，减少刀具消耗，能有效降低硬岩掘进成本。现有研究表明，人造金刚石，陶瓷涂层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，但是此类新型刀具对钻进效率提高不显著，且刀具材料成本高昂，使其难以大面积推广。火钻技术虽然有助于扩张岩石裂隙及增加岩石内由于温差引起的应力从而提高钻进速度，但是钻头的使用寿命较低，在深井钻进时，频繁的更换钻头会大大降低整个钻进速率。另外，钻进过程中排屑不畅会造成钻杆内扭矩过大、卡钻和等钻等问题从而影响钻进速度。有鉴于此，为解决传统钻头在钻进时遇到的此类问题，必须从多角度考虑对现有钻头技术进行革新，提出一种高能气体射流岩石钻进方法和装置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，本专利技术提供一种高能气体射流岩石钻进方法和装置。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种高能气体射流岩石钻进方法，包括以下步骤：S1：空气压缩装置将空气进行加压，加压形成的高压气流通过钻杆内的燃烧室气道流入燃烧室与燃料燃烧，反应生成高温高速气体；S2：高温高速气体从孕镶体钻头上的喷嘴喷出，对钻头附近的岩体进行加热，孕镶体钻头转动，孕镶体中的镶嵌体氮化硅(Si3N4)对被加热后的岩体进行切削；细小岩屑和钻头喷出的高温高速气体形成气溶胶，气溶胶被高速气体带出，其余岩屑在高速气体加速和推动作用下被排出。优选地，所述被加压的高压气流在进入燃烧室时速度在800～1200m/s之间，从钻杆杆壁的喷嘴喷出的速度在700～1100m/s之间，和燃料燃烧反应后的高温高压气体从孕镶体钻头上的喷嘴喷出的速度在1600～1850m/s之间。一种高能气体射流岩石钻进装置，其主要包括孕镶体钻头、冲压燃烧室、燃烧室气道、排屑气道、油料管道、钻杆、动力装置、油料供应装置、空气加压装置、气溶胶及岩屑收集罩和过滤装置。所述孕镶体钻头上布有7-19个高温高压气流喷嘴，所述孕镶体钻头与钻杆末端内的燃烧室相连通，所述燃烧室与燃烧室气道和油料管道相连通，所述钻杆内布有1个燃烧室气道、2～4个排屑气道、1个油料管道，所述油料供应装置的油料管道和钻杆内的油料管道相连通，所述气体压缩装置的气体压缩管道和钻杆内的燃烧室气道和排屑气道相连通，所述的岩屑及岩屑气溶胶收集罩布置在孔口并与所述的过滤装置相连通。优选地，所述孕镶体钻头是由碳化硅(SiC)粘结而成的胎体与氮化硅(Si3N4)镶嵌体构成的耐高温钻头。优选地，在孔口处安装有收集罩，收集被排出的岩屑及岩屑气溶胶，收集罩与过滤装置相连通，岩屑和气体被分离，处理后的气体被排放。优选地，所述排屑气道布置在钻杆内，排屑气道的喷口斜反向布置在钻杆壁上。优选地，所述钻杆之间的连接采用螺纹连接，端面有凹槽和突出体相扣。优选地，所述高温高压气流喷嘴直径为3～6mm，排屑气流喷嘴直径为6～10mm，燃烧室气道直径为12～18mm，排屑气道直径为6～12mm。本专利技术的有益效果是：①本专利技术采用新型结构陶瓷材料的孕镶体钻头进行钻进，其中孕镶体钻头的镶嵌体氮化硅(Si3N4)是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，Si3N4为原子晶体，高温时抗氧化，而且它还能抵抗冷热冲击，能对岩体进行高效的切削但自身只受极少的磨损，其中孕镶体钻头的胎体由碳化硅(SiC)粘结而成，具有耐高温而且经济的特点，更重要的是当胎体被一点点消磨掉后，胎体孕含的新的镶嵌体又得以露出来继续对岩体进行切削，综上，本专利技术采用硬度大的钻头镶嵌体能很好地提高钻头对岩体的切削效率，采用孕镶结构能极大地提高钻头的耐久性，很有效解决了钻深井时频繁换钻头的问题。②本专利技术采用高温高压气流对岩石进行加热，由于岩石导热性差，被加热部位的热量难以传导给其他部位使岩石内部产生由于温差引起的巨大应力，在钻头切削和气流喷射的共同作用下，小岩块被迅速地从岩体上剥落，进一步提高了钻进效率；同时钻头和钻杆壁处喷出的高速气流推动岩屑排出钻孔，部分岩屑和气体形成气溶胶被带出钻孔，整个钻孔内几乎不会滞留岩屑，解决了钻进中卡钻、等钻的问题，也消除了由于岩屑滞留引起的钻杆扭矩过大的问题。③本专利技术中钻杆和钻杆间用螺纹配合端面卡槽的设计使螺纹壁上的应力得到分散，限制了钻杆间的相对转角位移，解决了由于相对转角位移引起的气道和油料管道堵塞的问题。除此之外，孔口处岩屑及岩屑气溶胶收集罩收集排出的岩屑气溶胶被导入到过滤装置，用水射流喷射和水雾吸附等方式使岩屑和气体分离，防止岩屑粉尘对空气的污染。下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步描述。附图说明图1为本专利技术优选实施例的结构示意图；图2为孕镶体钻头的示意图；图3为燃烧室的剖视图；图4为钻杆之间连接部分示意图。图中：1是动力装置，2是油料供应装置，3是空气压缩装置，4是过滤装置，5是油料管道，6是收集罩，7是压缩气体管道，8是反向喷嘴，9是孕镶体钻头，10是钻杆，11是排屑气道，13是燃烧室气道，14是钻头喷嘴，15是镶嵌体，16是胎体，17是冲压燃烧腔，18是油料喷嘴，19是端面卡槽凸体，20是端面卡槽凹槽。具体实施方式为了更充分理解本专利技术的
技术实现思路
，下面结合附图1-4和实施例对本专利技术的技术方案作进一步介绍和说明。一种高能气体射流岩石钻进方法，包括以下步骤：空气压缩装置(3)将空气进行加压，加压形成的高压气流通过钻杆内的燃烧室气道(13)流入燃烧室，油料供应装置(2)通过油料管道(5)向燃烧室供应油料，高压气流和油料在冲压燃烧腔(17)燃烧，反应生成高温高速气体，高温高速气体从孕镶体钻头(9)上的13个喷嘴(14)喷出，对钻头附近的岩体进行加热和切削。优选地，动力装置(1)通过钻杆(10)带动孕镶体钻头(9)转动，孕镶体钻头(9)上的镶嵌体(15)氮化硅(Si3N4)对被加热后的岩体进行切削。优选地，另一部分加压形成的高压气流流入钻杆内的排屑气道(11)，通过钻杆杆壁上的反向喷嘴(8)喷出推动岩屑加速排出钻孔；同时这些气流可以和部分岩屑形成气溶胶，增强了岩屑的流动性，更有利于岩屑被排出钻孔。优选地，所述被加压的高压气流在进入燃烧室时速度在800～1200m/s之间，从钻杆(10)杆壁的反向喷嘴(8)喷出的速度在700～1100m/s之间，和燃料燃烧反应后的高温高压气体从孕镶体钻头上的喷嘴(14)喷出的速度在1600～1850m/s之间。优选地，被排出的岩屑和岩屑气溶胶在孔口处被收集罩(6)收集并送入到过滤装置(4)进行处理，用水射流喷射和水雾吸附等方式使岩屑和气体分离，处理后的无粉尘气体被排放到大气中。如图1所示，为本专利技术的优选实施例的结构示意图。一种高能气体射流岩石钻进装置，包括孕镶体钻头(9)、燃烧室、燃烧室气道(13)、排屑气道(11)、油料管道(5)、钻杆(10)、动力装置(1)、油料供应装置(2)、空气加压装置(3)、气溶胶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高能气体射流岩石钻进方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：空气压缩装置将空气进行加压，加压形成的高压气流通过钻杆内的燃烧室气道流入燃烧室与燃料燃烧，反应生成高温高速气体；S2：高温高速气体从孕镶体钻头上的喷嘴喷出，对钻头附近的岩体进行加热，孕镶体钻头转动，孕镶体中的镶嵌体氮化硅(Si

【技术特征摘要】
1.一种高能气体射流岩石钻进方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：空气压缩装置将空气进行加压，加压形成的高压气流通过钻杆内的燃烧室气道流入燃烧室与燃料燃烧，反应生成高温高速气体；S2：高温高速气体从孕镶体钻头上的喷嘴喷出，对钻头附近的岩体进行加热，孕镶体钻头转动，孕镶体中的镶嵌体氮化硅(Si3N4)对被加热后的岩体进行切削；细小岩屑和钻头喷出的高温高速气体形成气溶胶，气溶胶被高速气体带出，其余岩屑在高速气体加速和推动作用下被排出。2.根据权利要求1中所述的一种高能气体射流岩石钻进方法，其特征在于，高压气流在进入燃烧室时速度在800～1200m/s之间，从钻杆杆壁的喷嘴喷出的速度在700～1100m/s之间，和燃料燃烧反应后的高温高压气体从孕镶体钻头上的喷嘴喷出的速度在1600～1850m/s之间。3.一种高能气体射流岩石钻进装置，其特征在于，包括孕镶体钻头、燃烧室、燃烧室气道、排屑气道、油料管道、钻杆、动力装置、油料供应装置、空气加压装置、气溶胶及岩屑收集罩和过滤装置；所述孕镶体钻头上布有7-19个高温高压气流喷嘴，所述孕镶体钻头与钻杆末端内的燃烧室相连通，所述燃烧室由燃烧室气道、油料...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓峰，朱洪亮，满诗涵，周鑫，周家恒，朱孟禹，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11