一种钻井掘进设备和方法与流程

1.本发明属于岩土工程物理力学领域，更具体的涉及一种钻井掘进设备和方法。


背景技术：

2.盾构机既是一种施工机具，也是一种强有力的临时支撑结构，盾构机外形上看是一个大的钢管机，较隧道部分略大，用来抵挡外向水压和地层压力，大多数盾构的形状为圆形，盾构机的刀具一般分为面板式和辐条式，实际施工过程前根据不同的地形和岩层结构来选择相适应的刀具，在盾构法施工中，由于岩石强度比较高，在切削、剪切岩体时盾构机刀具此时会产生不同程度的磨损，刀具磨损成了制约掘进速度的重要因素，因此，如何减少切削、剪切岩体时盾构机刀具的磨损，提高盾构机的挖掘效率，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.针对上述背景技术中的不足，本发明提出了一种钻井掘进设备和方法，解决了现有的深部硬岩掘进过程中刀具磨损严重的技术问题。
4.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种钻井掘进设备，其特征在于，包括：刀盘切割系统、加热系统以及冷却系统；
6.所述刀盘切割系统包括刀盘面板、切割刀具、主传动轴、以及传动轴驱动机构；所述切割刀具设置在所述刀盘面板上并用于切割岩体，所述主传动轴一端与所述驱动机构连接，另一端与所述刀盘面板连接，以使传动轴驱动机构可通过所述主动传动轴驱动所述刀盘转动；
7.所述加热系统设置于所述刀盘面板上，并用于对岩体进行微波加热；
8.所述冷却系统设置于所述刀盘面板上，并用于对岩体进行水雾冷却。
9.优选的，所述刀盘面板底部设置有废料输送装置，所述废料输送装置用于向挖掘方向的相反方向运输石料。
10.优选的，所述加热系统包括微波照射装置和微波控制系统，所述微波控制系统能够控制所述微波照射装置的微波照射参数。
11.优选的，所述微波照射装置设置有一对，一对所述微波照射装置关于所述刀盘面板中心对称设置，各个所述微波照射装置均设置为以所述刀盘面板的中心为圆心的扇形结构，所述扇形结构开口角度设置为0
‑
120
°
。
12.优选的，刀盘切割系统还包括第一辐条组和第二辐条组，所述第一辐条组和所述第二辐条组均包括两条沿所述刀盘面板的径向延伸且关于所述刀盘面板的中心对称设置的辐条，所述第一辐条组和所述第二辐条组关于所述刀盘面板的中心对称设置，各个所述辐条上均设置有所述切割刀具，所述微波照射装置设置于所述第一辐条组和所述第二辐条组之间。
13.优选的，所述切割刀具包括先行滚刀、中心滚刀以及切削刀，多个所述中心滚刀以
所述刀盘面板中心为圆心均匀分布，所述中心滚刀可转动的设置在所述刀盘面板上，所述第一辐条组的所述辐条与第二辐条组的所述辐条均设置有多个可转动的所述先行滚刀，所述切削刀固定设置在所述第一辐条组的所述辐条上。
14.优选的，刀盘切割系统还包括刀具驱动机构以及刀盘控制系统，所述先行滚刀以及所述中心滚刀均与所述刀具驱动机构传动连接，所述刀具驱动机构用于驱动所述先行滚刀以及所述中心滚刀转动，所述刀盘控制系统与所述刀具驱动机构电连接，并控制所述刀具驱动机构的运行状态。
15.优选的，所述冷却系统包括水射流喷嘴、水泵和水雾控制系统，所述水射流喷嘴设置于刀盘面板上，两组所述水射流喷嘴均沿线性排布，且两组所述水射流喷嘴并排设置于第二辐条组的所述辐条上，所述水泵与所述主传动轴连接并同步转动，所述水泵通过冷却管道向所述水射流喷嘴输送冷却水，所述水雾控制系统控制水射流喷嘴喷射参数。
16.优选的，一种钻井掘进方法，包括如下步骤：
17.步骤一：根据施工现场地质条件、实验数据和工程进度需求，设计微波波形、照射角度、照射强度、照射频率、水雾喷射角度、水雾喷射流量、刀盘切割进度的施工参数；
18.步骤二：将微波控制系统和微波照射装置通过传输电缆进行连接；将水射流喷嘴和水泵使用冷却管道进行连接；
19.步骤三：启动废料输送装置，准备开始运废料工作；
20.步骤四：启动所述微波控制系统，启动所述微波照射装置按照设计的微波波形、照射角度、照射强度和照射频率进行岩壁微波加热；
21.步骤五：启动水雾控制系统，启动水泵按照设计的所述水雾喷射角度和所述水雾喷射流量对施工岩壁进行持续水雾冷却和工作面除尘降温；
22.步骤六：启动切割刀具，刀盘面板按照逆时针方向转动，持续前进式剥岩施工。
23.本发明的有益效果在于：本发明能够根据不同工程地质硬岩特性和工程进度需求进行适应性调整，实现由微波控制系统和微波照射装置共同控制的范围在0
‑
120
°
的可调控式的照射覆盖区域，通过设计切割进度需求、微波照射方案和水雾降温方案之间的匹配关系，大大降低了岩体硬度，实现钻井掘进时辅助破岩的效果，减少了切削、剪切岩体时盾构机刀具的磨损，同时使用水雾降温能够对岩体进行均匀降温，使得岩体崩坏位置更均匀，并且水雾还可以吸附切削岩石时产生的飞尘，具有减尘的功效。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
25.图1为本发明中复合破岩刀盘的正视图；
26.图2为本发明中复合破岩刀盘的侧视图；
27.其中，图中：101
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刀盘面板，102
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微波照射臂组，103
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水射流喷嘴组，104
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先行滚刀，105
‑
中心滚刀，106
‑
切削刀，201
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装置集中控制室，202
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水泵，203
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主传动轴，204
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废料输送带，205
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刀盘控制系统，206
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微波控制系统，207
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水雾控制系统。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.参阅附图1
‑
2，本发明提供了一种钻井掘进设备，包括：刀盘面板101承载有微波照射臂组102、中心滚刀105、水射流喷嘴组103、先行滚刀104和切削刀106，微波发射臂组102是向岩体表面发射微波的装置，对岩体进行一定时间的持续加热，岩体内部吸波矿物吸收微波后，在岩体内部，微波能转化为热能；水射流喷嘴组103将高压水转化为水雾并对施工岩体喷射进行强制冷却处理，在微观上矿物晶体断裂，刚性矿物颗粒及颗粒界面产生微裂缝，引起岩体表面宏观裂隙发育，呈现出显著的致裂和弱化效果；最后利用刀盘面板101上的刀具切割石料，废料输送带204负责往设备后方输送前方剥落的岩石；刀盘面板101上设置4根辐条，辐条沿刀盘面板101的径向延伸且关于刀盘面板101中心两两对称设置，两对辐条关于刀盘面板101中心对称，辐条上安装有先行滚刀104，一对对称设置的辐条上设置有切削刀106，另一对对称设置的辐条上设置有两组并排设置的水射流喷嘴组103；主传动轴203带动刀盘面板101转动；刀盘控制系统205通过刀具驱动机构控制中心滚刀105以及先行滚刀104的转动；微波控制系统206与微波照射臂组102通过传输电缆连接，传输电缆将微波控制系统206产生的微波传递至微波照射臂组102；水雾控制系统207控制水泵202内的水压大小，同时负责水雾的喷射工作，水泵202内的水通过输水管抽出并输送到水射流喷嘴103对施工岩体进行降温；水泵202设置有压力表和阀门，通过所述水泵202上连接的压力表显示的水泵202内的压力值。
30.采用上述一种钻井掘进方法，该方法中应保证刀具切割系统、微波加热系和水雾冷却系统三个系统之间的功效匹配与连续性作业，结合某工程的具体实施步骤如下：
31.步骤一：针对某工程施工现场地质硬岩条件(脆性细砂岩，强度为120mpa)，开展试验测试，得知经过20s强度为2.4ghz的微波照射和10s水雾降温后，所述岩石强度降低45％，弱化效益最显著、有效影响深度不小于5cm。结合工程进度要求每分钟切割进尺为10cm，最终设计确定微波波形为持续照射、强度为2.4ghz、照射角度为正前方0
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120
°
、刀盘转动频率为1转/分钟，水雾喷射角度为正前方、水雾喷射流量为10l/min。
32.步骤二：将微波控制系统206、传输电缆及微波照射臂组102进行连接；将高压水射流喷嘴组103和水泵202使用输水管进行连接。
33.步骤三：启动废料输送带204，准备开始运费料工作。
34.步骤四：启动水雾控制系统207，启动水泵202对施工岩壁进行持续水雾冷却和工作面除尘降温。
35.步骤五：启动微波控制系统206，启动微波照射臂组102进行连续的微波加热。
36.步骤六：启动先行滚刀104、中心滚刀105、切削刀106，刀盘面板按照逆时针方向转动，持续前进式剥岩施工。
37.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说
明即可。
38.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。