一种深部硬岩孔壁-孔端随钻致裂的微波钻头及使用方法技术

一种深部硬岩孔壁

【技术实现步骤摘要】
一种深部硬岩孔壁
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孔端随钻致裂的微波钻头及使用方法


[0001]本专利技术属于岩土工程及采矿工程
，具体涉及一种深部硬岩孔壁
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孔端随钻致裂的微波钻头及使用方法。

技术介绍

[0002]岩爆是指在开挖和其他扰动的情况下，地下工程岩体中应力集中区域积聚的弹性变形势能突然释放，导致围岩向临空方向发生爆裂和弹射的现象。尤其是随着地下工程向深部发展，地应力水平不断增高，岩体赋存地质环境更加复杂，岩爆带来的危害更加严重，因此需要对高应力区域进行应力释放从而降低岩爆风险。目前常用的应力释放方法是在高应力区域打钻孔，但是打孔工作量较大，也会产生粉尘和噪音，不符合环保的需求；其次打孔参数设计不合理会导致应力释放效果难以控制，打孔过量围岩强度难以保障，打孔少量又会导致应力释放效果不佳。
[0003]微波致裂硬岩技术作为一种极具潜力的新型应力释放技术，具有环保、精准致裂的优点。其方法首先用普通钻机打一个钻孔，随后撤出钻杆，将孔内微波同轴加热器插入钻孔，并向孔壁周围发射微波，在钻孔的孔壁周围产生大量裂纹，根据施加的微波功率和时间得到想要的应力释放效果，从而大幅降低了岩体内部的应力释放效果。但是这种方法存在一些的缺点：第一，常规钻机面对硬岩钻孔速度慢；第二，相比常规钻孔应力释放增加了一道工序；第三，先打钻孔再插入孔内微波同轴加热器会存在二者尺寸不匹配的问题，钻孔直径过小或者钻孔不直会导致孔内微波同轴加热器插不进钻孔，钻孔直径过大又会影响致裂效率。
[0004]因此，亟需研发一种钻孔和应力释放同步作业的装备，同时能够实现钻孔前端硬岩同步致裂提高钻进效率，从而解决微波应力释放技术工序复杂、钻孔尺寸不匹配及硬岩钻孔速度慢的问题，实现微波应力释放技术在工程上推广应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种深部硬岩孔壁
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孔端随钻致裂的微波钻头及使用方法，能够实现硬岩快速钻进的同时孔壁岩体致裂释放应力。
[0006]一种深部硬岩孔壁
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孔端随钻致裂的微波钻头，包括微波钻头，所述微波钻头上从后到前依次套装有支撑框架前板、金属套筒和进水环，金属套筒外壁通过齿轮卡套与安装于支撑框架前板上的旋转驱动Ⅰ的传动齿轮连接，且金属套筒与支撑框架前板端面采用滚动钢球接触，微波钻头后端分别与微波模式转换器和微波分流器Ⅱ相连接，所述微波模式转换器通过矩形波导与微波分流器Ⅰ的微波输出端Ⅰ相连，所述微波模式转换器能够实现微波从矩形波导向硬质同轴波导传输；所述微波分流器Ⅱ通过矩形波导与微波分流器Ⅰ的微波输出端Ⅱ连接，所述微波分流器Ⅰ的微波输入端Ⅰ与微波旋转关节一端连接，所述微波旋转关节另一端与固定波导一端连接，固定波导另一端与安装于设备移动平台上的微波发生装置连接，所述微波旋转关节位于支撑框架后板顶部的通孔内，并在支撑框架后板的通孔
内转动，所述微波旋转关节外壁通过齿轮卡套与安装于支撑框架后板上的旋转驱动Ⅱ的传动齿轮连接，所述微波旋转关节能够在自身旋转的条件下，实现微波从固定波导无损旋转传输；所述支撑框架前板和支撑框架后板底端固定安装在设备移动平台上，设备移动平台通过定向滑轨安装在固定底座上，所述固定底座通过螺丝固定在地面上，固定底座上表面右侧固定安装有反力支座，所述支撑框架前板与反力支座之间通过掘进驱动铰接连接，掘进驱动穿过支撑框架后板，掘进驱动共两个并沿硬质同轴波导为中心对称布置；所述掘进驱动通过反力支座的反力支撑推动支撑框架前板往前推进，从而带动硬质同轴波导向前钻进，同时带动设备移动平台上的结构同步向前移动。
[0007]所述微波钻头包括合金钻头，所述合金钻头前端呈锯齿状与岩体接触，后端通过螺纹与硬质同轴波导前端连接，所述硬质同轴波导作为钻杆提供推力；所述硬质同轴波导包括硬质同轴波导外导体和硬质同轴波导内导体，所述硬质同轴波导外导体为空心金属圆柱，硬质同轴波导内导体为实心金属圆柱，且硬质同轴波导外导体内同轴安装有硬质同轴波导内导体，硬质同轴波导外导体与硬质同轴波导内导体之间形成空隙，微波从硬质同轴波导外导体与硬质同轴波导内导体之间的空隙传输，所述硬质同轴波导外导体后端与微波模式转换器相连。
[0008]所述硬质同轴波导内导体沿轴向钻有两个通孔，通孔沿硬质同轴波导内导体截面中心对称布置，通孔内分别安装有软质同轴波导，且软质同轴波导的直径小于硬质金属内导体的半径；所述软质同轴波导前端穿过硬质同轴波导内导体和合金钻头与微波辐射器相连，且微波辐射器前端套有固定在合金钻头端面的陶瓷套筒，微波通过软质同轴波导传输，穿过陶瓷套筒后辐射岩体，所述陶瓷套筒对微波透明，高度小于截割头，其作用是防止钻取下的岩屑进入软质同轴波导内，软质同轴波导后端延伸至硬质同轴波导内导体外侧与微波分流器Ⅱ一端连接。
[0009]所述硬质同轴波导外导体切割三条孔壁裂缝，用于将硬质同轴波导的微波释放到孔壁四周的岩体中，为了保证孔壁裂缝对电磁场的高效切割，孔壁裂缝与硬质同轴波导轴向、环形不平行，呈交叉布置，裂缝长度为1/4～1/2波长，相邻两条裂缝的距离为1/4～1/2波长。
[0010]所述硬质同轴波导外壁布置进水环，所述进水环为不含内壁面的空心金属套筒，进水环嵌在硬质同轴波导外壁的环形凹槽上，进水环与环形凹槽连接处采用橡胶实现密封，所述进水环上下端分别开有两个圆孔，作为出水口与进水口，所述圆孔通过硬质金属水管与设备移动平台前端的冷却水箱连接，所述进水环沿水平方向与硬质同轴波导同步推进，但不发生旋转，所述硬质同轴波导沿环形凹槽中心面对称开有两个圆孔并与沿硬质同轴波导外导体及合金钻头上钻有的冷却通道连通，冷却水箱中冷却水从进水口流入进水环，经过冷却通道后，从出水口流出至冷却水箱。
[0011]所述微波分流器Ⅰ包括一个微波输入端Ⅰ和两个微波输出端，两个微波输出端分别为微波输出端Ⅰ和微波输出端Ⅱ，微波输入端Ⅰ分成十条支路，其中九条支路汇合到微波输出端Ⅰ，另一条支路与微波输出端Ⅱ连接，通过支路开关控制支路微波的传输，从而实现微波输出端Ⅰ和微波输出端Ⅱ的功率分配，支路开关为铝质金属板。
[0012]所述微波分流器Ⅱ包括一个微波输入端Ⅱ和两个微波输出端Ⅲ，两个微波输出端Ⅲ分别与软质同轴波导连接，微波输入端Ⅱ与微波分流器Ⅰ的微波输出端Ⅱ连接。
[0013]一种深部硬岩孔壁
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孔端随钻致裂的微波钻头的使用方法，包括以下步骤：
[0014]步骤1：在距离钻孔的10
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20m处钻一个监测孔，在监测孔内布置一个孔内雷达损伤监测装置，该雷达损伤监测装置包括一个圆柱杆体，圆柱杆体前端布置了雷达信号传感器，能够监测孔径方向以上距离的岩体破裂信息并通过圆柱杆体内的信号线传输到电脑，通过雷达损伤监测装置在监测孔轴向的移动，可以测量不同钻进深度时钻孔周围的裂纹信息；
[0015]步骤2：选择一个空白对照钻孔，打开冷却水进水口，启动旋转驱动Ⅰ和旋转驱动Ⅱ17与掘进驱动，不开启微波发生装置，固定推进速度V0，钻速R0，监测推进过程的推进力T0随本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深部硬岩孔壁
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孔端随钻致裂的微波钻头，其特征在于，包括微波钻头，所述微波钻头上从后到前依次套装有支撑框架前板、金属套筒和进水环，金属套筒外壁通过齿轮卡套与安装于支撑框架前板上的旋转驱动Ⅰ的传动齿轮连接，且金属套筒与支撑框架前板端面采用滚动钢球接触，微波钻头后端分别与微波模式转换器和微波分流器Ⅱ相连接，所述微波模式转换器通过矩形波导与微波分流器Ⅰ的微波输出端Ⅰ相连，所述微波模式转换器能够实现微波从矩形波导向硬质同轴波导传输；所述微波分流器Ⅱ通过矩形波导与微波分流器Ⅰ的微波输出端Ⅱ连接，所述微波分流器Ⅰ的微波输入端Ⅰ与微波旋转关节一端连接，所述微波旋转关节另一端与固定波导一端连接，固定波导另一端与安装于设备移动平台上的微波发生装置连接，所述微波旋转关节位于支撑框架后板顶部的通孔内，并在支撑框架后板的通孔内转动，所述微波旋转关节外壁通过齿轮卡套与安装于支撑框架后板上的旋转驱动Ⅱ的传动齿轮连接，所述微波旋转关节能够在自身旋转的条件下，实现微波从固定波导无损旋转传输；所述支撑框架前板和支撑框架后板底端固定安装在设备移动平台上，设备移动平台通过定向滑轨安装在固定底座上，所述固定底座通过螺丝固定在地面上，固定底座上表面右侧固定安装有反力支座，所述支撑框架前板与反力支座之间通过掘进驱动铰接连接，掘进驱动穿过支撑框架后板，掘进驱动共两个并沿硬质同轴波导为中心对称布置；所述掘进驱动通过反力支座的反力支撑推动支撑框架前板往前推进，从而带动硬质同轴波导向前钻进，同时带动设备移动平台上的结构同步向前移动。2.根据权利要求1所述的一种深部硬岩孔壁
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孔端随钻致裂的微波钻头，其特征在于：所述微波钻头包括合金钻头，所述合金钻头前端呈锯齿状与岩体接触，后端通过螺纹与硬质同轴波导前端连接，所述硬质同轴波导作为钻杆提供推力；所述硬质同轴波导包括硬质同轴波导外导体和硬质同轴波导内导体，所述硬质同轴波导外导体为空心金属圆柱，硬质同轴波导内导体为实心金属圆柱，且硬质同轴波导外导体内同轴安装有硬质同轴波导内导体，硬质同轴波导外导体与硬质同轴波导内导体之间形成空隙，微波从硬质同轴波导外导体与硬质同轴波导内导体之间的空隙传输，所述硬质同轴波导外导体后端与微波模式转换器相连。3.根据权利要求2所述的一种深部硬岩孔壁
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孔端随钻致裂的微波钻头，其特征在于：所述硬质同轴波导内导体沿轴向钻有两个通孔，通孔沿硬质同轴波导内导体截面中心对称布置，通孔内分别安装有软质同轴波导，且软质同轴波导的直径小于硬质金属内导体的半径；所述软质同轴波导前端穿过硬质同轴波导内导体和合金钻头与微波辐射器相连，且微波辐射器前端套有固定在合金钻头端面的陶瓷套筒，微波通过软质同轴波导传输，穿过陶瓷套筒后辐射岩体，所述陶瓷套筒对微波透明，高度小于截割头，其作用是防止钻取下的岩屑进入软质同轴波导内，软质同轴波导后端延伸至硬质同轴波导内导体外侧与微波分流器Ⅱ一端连接。4.根据权利要求3所述的一种深部硬岩孔壁
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孔端随钻致裂的微波钻头，其特征在于：所述硬质同轴波导外导体切割三条孔壁裂缝，用于将硬质同轴波导的微波释放到孔壁四周的岩体中，为了保证孔壁裂缝对电磁场的高效切割，孔壁裂缝与硬质同轴波导轴向、环形不平行，呈交叉布置，裂缝长度为1/4～1/2波长，相邻两条裂缝的距离为1/4～1/2波长。5.根据权利要求1所述的一种深部硬岩孔壁
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孔端随钻致裂的微波钻头，其特征在于：所述硬...

【专利技术属性】
技术研发人员：林峰，冯夏庭，杨成祥，张九雨，李世平，童天杨，苏香馨，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：