【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于鉆進破巖，具體涉及一種水射流機械聯合鉆具、鉆進破巖鉆機及方法。
技術介紹
1、本部分的陳述僅僅是提供了與本專利技術相關的
技術介紹
信息，不必然構成在先技術。
2、現有鉆機類型根據功能和特點的不同，主要分為沖擊式鉆機和旋轉式鉆機。兩者都可適用于各種地質狀況，兩種破巖鉆機都具有破碎能力強、作業效率高等優點，其已被廣泛運用于地下工程和能源等各種領域。
3、但是，在實際應用時，當上述設備接觸到硬巖及超高強度硬巖時，鉆進效率十分低下，鉆進速度十分緩慢，且因鉆進設備接觸硬巖時極易損壞，鉆進成本變得十分高昂。
技術實現思路
1、本專利技術為了解決上述問題，提出了一種水射流機械聯合鉆具、鉆進破巖鉆機及方法，本專利技術能夠實現對硬巖的水射流鉆具的聯合鉆進，快速更換鉆桿，能實現設備正常工作時，遠距離主動傳輸磨料的功能，進而實現快速掘進和超長掘進，從而做好超前地質探測。
2、根據一些實施例，本專利技術采用如下技術方案：
3、一種水射流機械聯合鉆具，包括合金鉆頭、合金鉆桿和水射流噴頭，其中：
4、所述合金鉆桿的一端連接合金鉆頭；
5、所述合金鉆頭內具有一空腔，所述水射流噴頭設置于所述空腔處，所述合金鉆頭端面中心設置有若干通孔，以和所述水射流噴頭相適配；
6、所述水射流噴頭內部設置有若干高壓射流通道，以及若干磨料混合通道，所述磨料混合通道和高壓射流通道之間交錯布設，且所述磨料混合通道通過過渡管路連通對應的高壓射流
7、所述水射流噴頭的內部還設置有若干低壓出水通路；
8、所述水射流噴頭的端面上設置有相對應的若干水射流出口和若干低壓水出口，所述水射流出口和對應的高壓射流通道連通；所述低壓水出口和對應的低壓出水通路連接，形成排渣路徑。
9、上述方案中，水射流噴頭裝到鉆頭內部空心處，不需要占用原先鉆頭的空間，鉆頭的中心根據需要開出高壓射流和低壓排渣液的出水孔，其余結構不更改，不影響鉆頭的結構強度和結構穩定性，還可以通過鉆頭中心開的低壓水路排渣，通過中心進水，隨著鉆頭旋轉，將巖渣從鉆頭側邊排出。
10、作為可選擇的實施方式，所述水射流噴頭的外端呈階梯狀，靠近所述合金鉆桿部分的直徑大于遠離所述合金鉆桿部分的直徑；
11、所述水射流噴頭的高壓射流出水側設置有耐磨零部件，且該側通過噴嘴壓環進行固定。
12、作為可選擇的實施方式，所述合金鉆桿和合金鉆頭可拆卸連接。
13、作為可選擇的實施方式，所述合金鉆桿包括多節，各節鉆桿的兩端分別設置有固定公頭和固定母頭，所述固定公頭和固定母頭相適配；相鄰鉆桿之間設置有鎖緊件。
14、作為進一步的，所述鎖緊件包括設置在鉆桿一端的固定扣，以及設置在鉆桿另一端的鎖緊扣，所述鎖緊扣和固定扣可拆卸連接。
15、作為可選擇的實施方式，所述合金鉆桿包括多節，各節鉆桿的內部中空，用于容納高壓水管路通道、混合磨料介質通道和低壓水通道，所述高壓水管路通道和高壓射流通道形成連接通路，所述混合磨料介質通道和磨料混合通道形成連接通路，所述低壓水通道和低壓出水通路形成連接通路。
16、部分實施方式中，鉆桿和鉆桿之間通過兩重方式進行快速接續鉆桿，一是當接續鉆桿時，將鉆桿內部定位和提供扭矩的公頭和母頭相對接，內部有一路超高壓硬質鋼管管路和一路混合介質磨料管路，將超壓水、磨料介質密封完畢，孔內其余空間過低壓水；通過上述方式，實現高低壓水的孔內的傳輸。內部的高壓管路和低壓管路集成在鉆桿上，鉆桿定位和提供抗扭矩的公頭母頭對接時，內部管路也對接完畢；二是對接完畢后，卡上鉆桿連接處的高強度固定扣，從而夾緊鉆桿，實現快速接續。上述方案可實現鉆桿和鉆桿之間以及內部高低壓管路的快速接續，實現超長超快鉆。
17、作為可選擇的實施方式，靠近所述合金鉆頭的鉆桿的表面設置有多個傳感器，所述傳感器分別用于監測鉆探空間的溫度，檢測前方洞穴的成份，監測洞穴內水的壓力監測、監測當前鉆探空間的有毒有害氣體，以及檢測扭矩和鉆機電機的反力。
18、作為可選擇的實施方式，所述水射流噴頭內部設置有并行的兩路高壓射流通道，以及并行的兩路磨料混合通道，所述磨料混合通道分別和一高壓射流通道通過一過渡管路連通；
19、兩個高壓射流通道對稱設置于所述水射流噴頭內，兩個磨料混合通道對稱設置于所述水射流噴頭內，磨料混合通道和高壓射流通道之間相差90度；
20、所述過渡管路與高壓射流通道方向/磨料混合通道傾斜設置。
21、上述方案中，巧妙地利用三維空間的排布，既實現了小噴頭直徑下，兩路高壓水射流和兩路混合磨料介質的融入，又實現了低壓大流量的排渣液的融入，水射流噴頭根據特定的鉆頭內部空間，實現了空間上的高效利用，解決了實際工程水射流鉆機的融合難點之一。
22、作為可選擇的實施方式，所述低壓水出口為三個，并排設置于所述水射流噴頭/合金鉆頭的端面上，所述低壓出水通路包括兩個，并排設置于所述水射流噴頭內部，每個低壓出水通路均和兩個低壓水出口的部分區域連通。
23、作為可選擇的實施方式，所述鉆桿的內徑小于所述水射流噴頭的外徑。
24、上述方案中，將鉆桿內徑加工的小于水射流噴頭外徑，水射流噴頭裝入鉆頭內部后，連接鉆頭鉆桿，當鉆頭鉆桿通過擰緊時，又因鉆桿直徑小于水射流噴頭直徑，可以形成一個固定臺，利用鉆桿壓緊水射流噴頭，通過上述固定方式，既實現了鉆桿和鉆頭的連接固定，又實現了水射流噴頭在鉆頭內部的固定。
25、一種鉆進破巖鉆機，包括上述水射流機械聯合鉆具、鉆機本體、介質均衡及傳輸系統、低壓水供給單元和高壓射流水動力單元，其中：
26、所述鉆機本體上設置有水射流機械聯合鉆具，所述鉆機本體用于帶動并控制所述水射流機械聯合鉆具的移動、位姿和作業；
27、所述水射流機械聯合鉆具的高壓水管路通道通過旋轉傳輸接頭和高壓射流水動力單元連接；
28、所述水射流機械聯合鉆具的低壓水通道通過旋轉傳輸接頭和低壓水供給單元連接；
29、所述水射流機械聯合鉆具的混合磨料介質通道通過旋轉傳輸接頭和介質均衡及傳輸系統連接。
30、作為可選擇的實施方式，所述介質均衡及傳輸系統包括供砂倉和介質均衡水砂混合倉，所述供砂倉用于存儲砂料，和介質均衡水砂混合倉之間通過進沙管路連接，所述介質均衡水砂混合倉上設置有進水口，所述介質均衡水砂混合倉內設置有攪拌裝置，所述介質均衡水砂混合倉的下端設置有電機和混合介質傳輸管，所述電機用于將混合后的磨料運輸至混合介質傳輸管，所述混合介質傳輸管和所述旋轉傳輸接頭連接。
31、作為可選擇的實施方式，所述旋轉傳輸接頭包括旋轉端和固定端，所述旋轉端套設在所述固定端中心處，兩者通過法蘭連接；
32、所述固定端上設置有混合磨料傳輸通道和低壓水進水通道，所述低壓水進水通道的一端和所述水射流機械聯合鉆具的鉆桿內部的低壓水通道連接，另一端和低壓水供給單元本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種水射流機械聯合鉆具，其特征是，包括合金鉆頭、合金鉆桿和水射流噴頭，其中：
2.如權利要求1所述的一種水射流機械聯合鉆具，其特征是，所述水射流噴頭的外端呈階梯狀，靠近所述合金鉆桿部分的直徑大于遠離所述合金鉆桿部分的直徑；
3.如權利要求1或2所述的一種水射流機械聯合鉆具，其特征是，所述合金鉆桿和合金鉆頭可拆卸連接；
4.如權利要求1所述的一種水射流機械聯合鉆具，其特征是，所述合金鉆桿包括多節，各節鉆桿的內部中空，用于容納高壓水管路通道、混合磨料介質通道和低壓水通道，所述高壓水管路通道和高壓射流通道形成連接通路，所述混合磨料介質通道和磨料混合通道形成連接通路，所述低壓水通道和低壓出水通路形成連接通路；
5.如權利要求1或4所述的一種水射流機械聯合鉆具，其特征是，靠近所述合金鉆頭的鉆桿的表面設置有多個傳感器，所述傳感器分別用于監測鉆探空間的溫度，檢測前方洞穴的成份，監測洞穴內水的壓力監測、監測當前鉆探空間的有毒有害氣體，以及檢測扭矩和鉆機電機的反力。
6.如權利要求1所述的一種水射流機械聯合鉆具，其特征是，所述水射流噴
7.如權利要求1所述的一種水射流機械聯合鉆具，其特征是，所述低壓水出口為三個，并排設置于所述水射流噴頭/合金鉆頭的端面上，所述低壓出水通路包括兩個，并排設置于所述水射流噴頭內部，每個低壓出水通路均和兩個低壓水出口的部分區域連通。
8.一種鉆進破巖鉆機，其特征是，包括權利要求1-7中任一項所述的水射流機械聯合鉆具、鉆機本體、介質均衡及傳輸系統、低壓水供給單元和高壓射流水動力單元，其中：
9.如權利要求8所述的一種鉆進破巖鉆機，其特征是，所述鉆機本體設置有鉆機角度調節裝置、鉆桿旋轉動力裝置和鉆機鉆進推力油缸；
10.如權利要求8所述的一種鉆進破巖鉆機，其特征是，所述旋轉傳輸接頭包括旋轉端和固定端，所述旋轉端套設在所述固定端中心處，兩者通過法蘭連接；
11.一種基于如權利要求8-10中任一項所述的一種鉆進破巖鉆機的工作方法，其特征是，包括以下步驟：
12.如權利要求11所述的工作方法，其特征是，傳輸距離與其他參數的關系數學模型為：L＝η*ρ*P*S；
13.如權利要求11所述的工作方法，其特征是，在鉆進過程中，根據鉆桿旋轉電機的受力，鉆機鉆進推力油缸的鉆進推力，計算巖石的強度，具體巖石強度的數學模型為：P＝η*N*F；其中，η為系數；N為油缸前進推力；F為電機扭矩；
...【技術特征摘要】
1.一種水射流機械聯合鉆具，其特征是，包括合金鉆頭、合金鉆桿和水射流噴頭，其中：
2.如權利要求1所述的一種水射流機械聯合鉆具，其特征是，所述水射流噴頭的外端呈階梯狀，靠近所述合金鉆桿部分的直徑大于遠離所述合金鉆桿部分的直徑；
3.如權利要求1或2所述的一種水射流機械聯合鉆具，其特征是，所述合金鉆桿和合金鉆頭可拆卸連接；
4.如權利要求1所述的一種水射流機械聯合鉆具，其特征是，所述合金鉆桿包括多節，各節鉆桿的內部中空，用于容納高壓水管路通道、混合磨料介質通道和低壓水通道，所述高壓水管路通道和高壓射流通道形成連接通路，所述混合磨料介質通道和磨料混合通道形成連接通路，所述低壓水通道和低壓出水通路形成連接通路；
5.如權利要求1或4所述的一種水射流機械聯合鉆具，其特征是，靠近所述合金鉆頭的鉆桿的表面設置有多個傳感器，所述傳感器分別用于監測鉆探空間的溫度，檢測前方洞穴的成份，監測洞穴內水的壓力監測、監測當前鉆探空間的有毒有害氣體，以及檢測扭矩和鉆機電機的反力。
6.如權利要求1所述的一種水射流機械聯合鉆具，其特征是，所述水射流噴頭內部設置有并行的兩路高壓射流通道，以及并行的兩路磨料混合通道，所述磨料混合通道分別和一高壓射流通道通過一過渡管路連通；
7.如權利...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉斌，李彪，張波，王亞旭，李育航，楊瑞，于虎，
申請(專利權)人：山東大學，
類型：發明
國別省市：
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