本實(shí)用新型涉及巖石鉆進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，具體而言涉及一種高能氣體射流巖石鉆進(jìn)裝置。

背景技術(shù)：

當(dāng)前在能源開采和隧道、礦井建設(shè)開發(fā)領(lǐng)域，鉆進(jìn)遇到硬巖和特硬巖，鉆進(jìn)速度會極大地降低，日進(jìn)度只有幾米甚至零點(diǎn)幾米。而且硬巖鉆進(jìn)施工中鉆頭及刀具損耗特別嚴(yán)重，鉆頭及刀具成本占較大比例，且?guī)r體石質(zhì)越硬，刀具費(fèi)用比例就越高，在一些超硬巖地段掘進(jìn)時(shí)，刀具費(fèi)用占了掘進(jìn)成本的百分之三十。因此，提高鉆進(jìn)效率，減少刀具消耗，能有效降低硬巖掘進(jìn)成本。

現(xiàn)有研究表明，人造金剛石，陶瓷涂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鉆進(jìn)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?；疸@技術(shù)雖然有助于擴(kuò)張巖石裂隙及增加巖石內(nèi)由于溫差引起的應(yīng)力從而提高鉆進(jìn)速度，但是鉆頭的使用壽命較低，在深井鉆進(jìn)時(shí)，頻繁的更換鉆頭會大大降低整個(gè)鉆進(jìn)速率。另外，鉆進(jìn)過程中排屑不暢會造成鉆桿內(nèi)扭矩過大、卡鉆和等鉆等問題從而影響鉆進(jìn)速度。有鑒于此，為解決傳統(tǒng)鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)遇到的此類問題，必須從多角度考慮對現(xiàn)有鉆頭技術(shù)進(jìn)行革新，提出一種高能氣體射流巖石鉆進(jìn)裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，本實(shí)用新型提供一種高能氣體射流巖石鉆進(jìn)裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：一種高能氣體射流巖石鉆進(jìn)裝置，其主要包括孕鑲體鉆頭、沖壓燃燒室、燃燒室氣道、排屑?xì)獾馈⒂土瞎艿?、鉆桿、動力裝置、油料供應(yīng)裝置、空氣加壓裝置、氣溶膠及巖屑收集罩和過濾裝置。

所述孕鑲體鉆頭上布有7-19個(gè)高溫高壓氣流噴嘴，所述孕鑲體鉆頭與鉆桿末端內(nèi)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，所述鉆桿內(nèi)布有1個(gè)燃燒室氣道、2～4個(gè)排屑?xì)獾馈?個(gè)油料管道，所述油料供應(yīng)裝置的油料管道和鉆桿內(nèi)的油料管道相連通，所述氣體壓縮裝置的氣體壓縮管道和鉆桿內(nèi)的燃燒室氣道和排屑?xì)獾老噙B通，所述的巖屑及巖屑?xì)馊苣z收集罩布置在孔口并與所述的過濾裝置相連通。

優(yōu)選地，所述孕鑲體鉆頭是由碳化硅(SiC)粘結(jié)而成的胎體與氮化硅(Si₃N₄)鑲嵌體構(gòu)成的耐高溫鉆頭。

優(yōu)選地，在孔口處安裝有收集罩，收集被排出的巖屑及巖屑?xì)馊苣z，收集罩與過濾裝置相連通，巖屑和氣體被分離，處理后的氣體被排放。

優(yōu)選地，所述排屑?xì)獾啦贾迷阢@桿內(nèi)，排屑?xì)獾赖膰娍谛狈聪虿贾迷阢@桿壁上。

優(yōu)選地，所述鉆桿之間的連接采用螺紋連接，端面有凹槽和突出體相扣。

優(yōu)選地，所述高溫高壓氣流噴嘴直徑為3～6mm，排屑?xì)饬鲊娮熘睆綖?～10mm，燃燒室氣道直徑為12～18mm，排屑?xì)獾乐睆綖?～12mm。

優(yōu)選地，所述被加壓的高壓氣流在進(jìn)入燃燒室時(shí)速度在800～1200m/s之間，從鉆桿桿壁的噴嘴噴出的速度在700～1100m/s之間，和燃料燃燒反應(yīng)后的高溫高壓氣體從孕鑲體鉆頭上的噴嘴噴出的速度在1600～1850m/s之間。

本實(shí)用新型的有益效果是：

①本實(shí)用新型采用新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料的孕鑲體鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，其中孕鑲體鉆頭的鑲嵌體氮化硅(Si₃N₄)是一種超硬物質(zhì)，本身具有潤滑性，并且耐磨損，Si₃N₄為原子晶體，高溫時(shí)抗氧化，而且它還能抵抗冷熱沖擊，能對巖體進(jìn)行高效的切削但自身只受極少的磨損，其中孕鑲體鉆頭的胎體由碳化硅(SiC)粘結(jié)而成，具有耐高溫而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，更重要的是當(dāng)胎體被一點(diǎn)點(diǎn)消磨掉后，胎體孕含的新的鑲嵌體又得以露出來繼續(xù)對巖體進(jìn)行切削，綜上，本實(shí)用新型采用硬度大的鉆頭鑲嵌體能很好地提高鉆頭對巖體的切削效率，采用孕鑲結(jié)構(gòu)能極大地提高鉆頭的耐久性，很有效解決了鉆深井時(shí)頻繁換鉆頭的問題。

②本實(shí)用新型采用高溫高壓氣流對巖石進(jìn)行加熱，由于巖石導(dǎo)熱性差，被加熱部位的熱量難以傳導(dǎo)給其他部位使巖石內(nèi)部產(chǎn)生由于溫差引起的巨大應(yīng)力，在鉆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(jìn)一步提高了鉆進(jìn)效率；同時(shí)鉆頭和鉆桿壁處噴出的高速氣流推動巖屑排出鉆孔，部分巖屑和氣體形成氣溶膠被帶出鉆孔，整個(gè)鉆孔內(nèi)幾乎不會滯留巖屑，解決了鉆進(jìn)中卡鉆、等鉆的問題，也消除了由于巖屑滯留引起的鉆桿扭矩過大的問題。

③本實(shí)用新型中鉆桿和鉆桿間用螺紋配合端面卡槽的設(shè)計(jì)使螺紋壁上的應(yīng)力得到分散，限制了鉆桿間的相對轉(zhuǎn)角位移，解決了由于相對轉(zhuǎn)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?xì)馊苣z收集罩收集排出的巖屑?xì)馊苣z被導(dǎo)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污染。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為孕鑲體鉆頭的示意圖；

圖3為燃燒室的剖視圖；

圖4為鉆桿之間連接部分示意圖。

圖中：1是動力裝置，2是油料供應(yīng)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是孕鑲體鉆頭，10是鉆桿，11是排屑?xì)獾溃?3是燃燒室氣道，14是鉆頭噴嘴，15是鑲嵌體，16是胎體，17是沖壓燃燒腔，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(shí)施方式

為了更充分理解本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合附圖1-4和實(shí)施例對本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步介紹和說明。一種高能氣體射流巖石鉆進(jìn)裝置，包括孕鑲體鉆頭(9)、燃燒室、燃燒室氣道(13)、排屑?xì)獾?11)、油料管道(5)、鉆桿(10)、動力裝置(1)、油料供應(yīng)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)。所述孕鑲體鉆頭上布有13個(gè)高溫高壓氣流噴嘴(14)，所述孕鑲體鉆頭(9)與鉆桿末端內(nèi)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)和沖壓燃燒腔(17)組成；所述鉆桿內(nèi)布有1個(gè)燃燒室氣道(13)、2～4個(gè)排屑?xì)獾?11)、1個(gè)油料管道(5)，所述油料供應(yīng)裝置(2)的油料管道(5)和燃燒室內(nèi)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)和鉆桿內(nèi)的燃燒室氣道(13)和排屑?xì)獾?11)相連通，所述的巖屑及巖屑?xì)馊苣z收集罩(6)布置在孔口并與所述的過濾裝置(4)相連通。在對巖體進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭上的高溫高速氣流噴出對鉆頭附近的巖體進(jìn)行加熱使巖體表面產(chǎn)生細(xì)小的裂隙，另外巨大溫差讓巖石內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，在鑲嵌體(15)的切削下，細(xì)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(chǎn)生的新的表面又被加熱，反復(fù)進(jìn)行這樣的過程，巖體被迅速鉆出孔洞；所述孕鑲體鉆頭處鉆出的巖屑被高溫高壓氣流帶到鉆桿與孔壁間的位置時(shí)，又被鉆桿壁上的排屑?xì)饬魍苿雍图铀伲斓乇慌懦隹锥?；所述鉆桿連接如圖4所示，鉆桿與鉆桿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(zhuǎn)使兩端面接近時(shí)，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(fā)生相對轉(zhuǎn)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鉆進(jìn)裝置的工作步驟如下：

S1：空氣壓縮裝置將空氣進(jìn)行加壓，加壓形成的高壓氣流通過鉆桿內(nèi)的燃燒室氣道流入燃燒室與燃料燃燒，反應(yīng)生成高溫高速氣體。

S2：高溫高速氣體從孕鑲體鉆頭上的噴嘴噴出，對鉆頭附近的巖體進(jìn)行加熱，孕鑲體鉆頭轉(zhuǎn)動，孕鑲體中的鑲嵌體氮化硅(Si₃N₄)對被加熱后的巖體進(jìn)行切削；細(xì)小巖屑和鉆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，其余巖屑在高速氣體加速和推動作用下被排出。

本高能氣體射流巖石鉆進(jìn)裝置的具體工作過程：空氣壓縮裝置(2)將空氣進(jìn)行加壓，加壓形成的高壓氣流通過鉆桿內(nèi)的燃燒室氣道(13)流入燃燒室與油料燃燒反應(yīng)生成高溫高速氣體，高溫高速氣體從孕鑲體鉆頭上的13個(gè)噴嘴(14)噴出，對鉆頭附近的巖體進(jìn)行加熱和切削；孕鑲體鉆頭(9)在動力裝置(1)提供的扭矩作用下對巖體進(jìn)行切削；巖體在高溫高壓氣流和鉆頭的共同作用下被迅速地切削。

以上所述為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并不用以限制本實(shí)用新型，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)之內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及同等物界定。同時(shí)，盡管本文較多地使用了動力裝置(1)，油料供應(yīng)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)，孕鑲體鉆頭(9)，鉆桿(10)，排屑?xì)獾?11)，燃燒室氣道(13)，鉆頭噴嘴(14)，鑲嵌體(15)，胎體(16)，沖壓燃燒腔(17)，油料噴嘴(18)，端面卡槽凸體(19)，端面卡槽凹槽(20)等術(shù)語，但并不排除使用其它術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本實(shí)用新型的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本實(shí)用新型精神相違背的。