一種在凍土中快速成孔設(shè)備及其施工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種在凍土中快速成孔設(shè)備及其施工方法，為提高鉆進(jìn)速度而發(fā)明。一種在凍土中快速成孔設(shè)備，包括鉆桿和鉆頭，所述鉆桿和鉆頭內(nèi)部設(shè)置有貫穿的輸?shù)?，鉆頭處設(shè)有液氮出口，鉆桿后端連接有供液管，供液管與液氮貯罐相連。本發(fā)明還公開(kāi)了一種在凍土中快速成孔的施工方法，包括如下步驟：將鉆桿伸入已預(yù)先凍結(jié)好的鉆孔中；通過(guò)供液管將液氮貯罐中的液氮輸入到固定在鉆桿底端的鉆頭處，對(duì)鉆頭進(jìn)行預(yù)冷；預(yù)冷結(jié)束后，開(kāi)啟鉆機(jī)，鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿做旋轉(zhuǎn)沖擊動(dòng)作，鉆桿帶動(dòng)固定在鉆桿底端的鉆頭旋轉(zhuǎn)沖擊進(jìn)行鉆孔作業(yè)；在鉆孔作業(yè)過(guò)程中，液氮貯罐中的液氮流經(jīng)供液管、鉆桿內(nèi)部的輸?shù)?，鉆頭內(nèi)部通道后，從鉆頭處的液氮出口流出。本發(fā)明適用于凍結(jié)孔中采用鉆頭進(jìn)行鉆孔作業(yè)。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及礦山建設(shè)領(lǐng)域，特別是深厚表土層立井井筒凍結(jié)法施工過(guò)程中，快速 在凍土中進(jìn)行鉆爆法作業(yè)的方法，具體為一種在凍土中快速成孔設(shè)備及其施工方法。 一種在凍土中快速成孔設(shè)備及其施工方法

【背景技術(shù)】
[0002] 礦山井筒凍結(jié)法鑿井過(guò)程中，由于井筒被凍實(shí)，導(dǎo)致機(jī)械開(kāi)挖困難，需要采用鉆爆 法作業(yè)。采用鉆爆法作業(yè)時(shí)，首先需要進(jìn)行鉆孔作業(yè)。鉆孔過(guò)程中面臨的問(wèn)題沖擊鉆頭被 融化的土（變成泥）包裹住，即泥包鉆頭，無(wú)法繼續(xù)沖擊鉆孔，導(dǎo)致鉆眼速度慢。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)上面的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種在凍土中快速成孔設(shè)備及其施工方法，能夠 減少泥包鉆頭的現(xiàn)象，提1?鉆孔的速度。
[0004] 一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種在凍土中快速成孔設(shè)備，包括鉆桿和鉆頭，所述鉆 桿和鉆頭內(nèi)部設(shè)置有貫穿的輸?shù)?，鉆頭處設(shè)有液氮出口，鉆桿后端連接有供液管，供液管 與液氮貯罐相連。
[0005] 可選的，所述鉆頭處的液氮出口開(kāi)設(shè)在所述鉆頭的側(cè)壁上。
[0006] 可選的，在所述鉆頭內(nèi)部設(shè)有供液氮繞行的通道，所述繞行通道一端與所述鉆桿 內(nèi)部的輸?shù)紫噙B通，另一端開(kāi)口于所述鉆頭的背面。
[0007] 可選的，在所述鉆頭內(nèi)或所述鉆桿與所述鉆頭的連接處設(shè)有一密閉腔，在所述密 閉腔中設(shè)有溫度傳感器，所述溫度傳感器通過(guò)金屬減震彈簧固定在所述密閉腔內(nèi)。
[0008] 可選的，所述供液管與液氮貯罐之間設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥，所述流量調(diào)節(jié)閥與流量調(diào) 節(jié)閥的自動(dòng)控制裝置相連，所述溫度傳感器也與所述流量調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制裝置相連，所 述流量調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制裝置根據(jù)所述溫度傳感器反饋的溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)所述流量調(diào)節(jié)閥 來(lái)調(diào)節(jié)輸入所述鉆桿內(nèi)部輸?shù)字械囊旱牧髁看笮　?br> [0009] 可選的，所述供液管外部采用聚乙烯保溫材料包扎。
[0010] 本發(fā)明在凍土中快速成孔設(shè)備，鉆桿和鉆頭內(nèi)部設(shè)置有貫穿的輸?shù)?，鉆頭處設(shè) 有液氣出口，鉆桿后端連接有供液管，供液管與液氣It罐相連。這樣在鉆孔作業(yè)時(shí)能夠?qū)⒁?氮貯罐中所儲(chǔ)存的液氮經(jīng)鉆桿和鉆頭內(nèi)部設(shè)置有貫穿的輸?shù)?，輸送至鉆頭處，通過(guò)液氮 對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻，從而防止鉆頭在沖擊作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生熱量導(dǎo)致所要進(jìn)行鉆孔作業(yè)的凍土 融化形成泥漿，相應(yīng)地也就能夠減少泥包鉆頭的現(xiàn)象發(fā)生，提高鉆孔作業(yè)的速度。
[0011] 另一方面，本發(fā)明還公開(kāi)了一種在凍土中快速成孔的施工方法，包括如下步驟：將 鉆桿伸入已在預(yù)先凍結(jié)好的凍土中形成的鉆孔中；通過(guò)供液管將液氮貯罐中的液氮輸入到 固定在鉆桿底端的鉆頭處，對(duì)鉆頭進(jìn)行預(yù)冷；預(yù)冷結(jié)束后，開(kāi)啟鉆機(jī)，鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿做旋轉(zhuǎn) 沖擊動(dòng)作，鉆桿帶動(dòng)固定在鉆桿底端的鉆頭旋轉(zhuǎn)沖擊進(jìn)行鉆孔作業(yè)；
[0012] 在鉆孔作業(yè)過(guò)程中，液氮貯罐中的液氮流經(jīng)供液管、鉆桿內(nèi)部的輸?shù)?，鉆頭內(nèi)部 通道后，從鉆頭處的液氮出口流出。
[0013] 可選的，在鉆桿帶動(dòng)固定在鉆桿底端的鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行鉆孔作業(yè)的過(guò)程中，探測(cè)鉆 頭的溫度；將探測(cè)到的鉆頭的溫度反饋給液氮流量控制裝置，液氮流量控制裝置根據(jù)探測(cè) 到的鉆頭的溫度調(diào)整輸入到鉆頭處的液氮的流量，使得鉆頭的溫度控制在-30°c到+30°C 之間。
[0014] 可選的，在鉆孔作業(yè)過(guò)程中，液氮貯罐中的液氮流經(jīng)供液管、鉆桿內(nèi)部的輸?shù)祝?鉆頭內(nèi)部通道后，從鉆頭處的液氮出口流出并沿著已鉆好的凍結(jié)孔的內(nèi)壁揮發(fā)，在揮發(fā)的 同時(shí)對(duì)已鉆好的凍結(jié)孔的內(nèi)壁進(jìn)行再次凍結(jié)。
[0015] 本發(fā)明在凍土中快速成孔的施工方法，通過(guò)液氮對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻，從而防止鉆頭 在沖擊作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生熱量導(dǎo)致所要進(jìn)行鉆孔作業(yè)的凍土融化形成泥漿，相應(yīng)地也就能夠 減少泥包鉆頭的現(xiàn)象發(fā)生，提高鉆孔作業(yè)的速度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
[0017] 圖1為本發(fā)明在凍土中快速成孔設(shè)備使用時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明在凍土中快速成孔設(shè)備中鉆頭部分的剖視圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明在凍土中快速成孔設(shè)備中鉆頭部分的俯視圖。
[0020] 圖中，1_鉆桿；11_輸氣孔；2_鉆頭；21_通道；3_凍土；4_凍結(jié)孔；5_凍土顆粒； 6_液氮出口；7-液氮貯罐；8-供液管；81-流量調(diào)節(jié)閥；9-密閉腔；91-溫度傳感器。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0022] 應(yīng)當(dāng)明確，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其 它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0023] 參看圖1，本發(fā)明的在凍土中快速成孔設(shè)備實(shí)施例，包括鉆桿1和鉆頭2,鉆桿1和 鉆頭2內(nèi)部設(shè)置有貫穿的輸?shù)?1，鉆頭2處設(shè)有液氮出口，鉆桿1后端連接有供液管，供 液管8與液氮貯罐7相連。
[0024] 本發(fā)明實(shí)施例在凍土中快速成孔設(shè)備，可用于對(duì)預(yù)先凍結(jié)好的凍結(jié)孔31中進(jìn)行 鉆孔作業(yè)，凍結(jié)孔的周圍經(jīng)過(guò)凍結(jié)形成有凍土 3。鉆桿和鉆頭內(nèi)部設(shè)置有貫穿的輸?shù)?，鉆 頭處設(shè)有液氮出口，鉆桿后端連接有供液管，供液管與液氮貯罐相連。這樣在鉆孔作業(yè)時(shí)能 夠?qū)⒁旱A罐中所儲(chǔ)存的液氮經(jīng)鉆桿和鉆頭內(nèi)部設(shè)置有貫穿的輸?shù)祝斔椭零@頭處，通 過(guò)液氮對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻，從而防止鉆頭在沖擊作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生熱量導(dǎo)致所要進(jìn)行鉆孔作業(yè) 的凍土融化形成泥漿，相應(yīng)地也就能夠減少泥包鉆頭的現(xiàn)象發(fā)生，提高鉆孔作業(yè)的速度。
[0025] 本發(fā)明在凍土中快速成孔設(shè)備一實(shí)施例中，所述鉆頭處的液氮出口開(kāi)設(shè)在所述鉆 頭的側(cè)壁上，這樣依靠鉆頭周圍的孔壁的阻礙作用，防止液氮從鉆頭中流出過(guò)快，在利用液 氮對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻減少泥包鉆頭的現(xiàn)象出現(xiàn)的同時(shí)，也能節(jié)省液氮的用量，降低成本。
[0026] 參看圖2,本發(fā)明在凍土中快速成孔設(shè)備另一實(shí)施例中，在所述鉆頭2內(nèi)部設(shè)有供 液氮繞行的通道21，所述繞行的通道21 -端與所述鉆桿內(nèi)部的輸?shù)?1相連通，另一端開(kāi) 口于所述鉆頭的背面形成液氮出口 6。所述繞行的通道21 -方面有利于液氮對(duì)鉆頭的成分 冷卻，另一方面對(duì)液氮的流動(dòng)起到阻尼作用，防止液氮從鉆頭中流出過(guò)快。
[0027] 參看圖3,多個(gè)液氮出口 6設(shè)置在鉆頭的背面，并繞鉆桿成圓周分布，既能防止液 氮出口 6被凍土顆粒5堵塞，又能夠?qū)⒁旱鶆虻蒯尫诺絻鼋Y(jié)孔的底端，能更好地降低凍結(jié) 孔側(cè)壁的溫度，減少液氮的浪費(fèi)，提高液氮利用率。
[0028] 參看圖2,本發(fā)明在凍土中快速成孔設(shè)備又一實(shí)施例中，在所述鉆頭2內(nèi)或所述鉆 桿1與所述鉆頭的連接處設(shè)有一密閉腔9,在密閉腔9中設(shè)有溫度傳感器91，所述溫度傳感 器91通過(guò)金屬減震彈簧固定在所述密閉腔內(nèi)，減震彈簧能夠減少鉆孔震動(dòng)對(duì)溫度傳感器 的震動(dòng)破壞。溫度傳感器91能夠及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量鉆頭的溫度。
[0029] 本發(fā)明在凍土中快速成孔設(shè)備又一實(shí)施例中，供液管8與液氮貯罐7之間設(shè)有流 量調(diào)節(jié)閥81，流量調(diào)節(jié)閥81與流量調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制裝置相連，溫度傳感器91也與所述流 量調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制裝置相連，流量調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制裝置根據(jù)所述溫度傳感器反饋的溫 度，通過(guò)調(diào)節(jié)所述流量調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)輸入所述鉆桿內(nèi)部輸?shù)字械囊旱牧髁看笮?。在鉆 孔時(shí)鉆頭處的溫度過(guò)高容易泥包鉆頭，溫度如果過(guò)低，那么凍結(jié)泥土的硬度就會(huì)大大增加， 從而增加鉆孔的難度，容易磨損鉆頭。通過(guò)溫度傳感器91將溫度數(shù)據(jù)及時(shí)傳給流量調(diào)節(jié)閥 81，就能夠使孔洞底部的溫度控制在一個(gè)合適的水平，既能提高鉆孔速度又能防止泥漿產(chǎn) 生導(dǎo)致泥包鉆頭。
[0030] 本發(fā)明在凍土中快速成孔設(shè)備一實(shí)施例中，所述供液管8外部采用聚乙烯保溫材 料包扎。
[0031] 本發(fā)明實(shí)施例還提供一種在凍土中快速成孔的施工方法，包括如下步驟：
[0032] S1、將鉆桿伸入已在預(yù)先凍結(jié)好的凍土中形成的鉆孔中；
[0033] S2、通過(guò)供液管將液氮貯罐中的液氮輸入到固定在鉆桿底端的鉆頭處，對(duì)鉆頭進(jìn) 行預(yù)冷；
[0034] S3、預(yù)冷結(jié)束后，開(kāi)啟鉆機(jī)，鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿做旋轉(zhuǎn)沖擊動(dòng)作，鉆桿帶動(dòng)固定在鉆桿 底端的鉆頭旋轉(zhuǎn)沖擊進(jìn)行鉆孔作業(yè)；
[0035] S4、在鉆孔作業(yè)過(guò)程中，液氮貯罐中的液氮流經(jīng)供液管、鉆桿內(nèi)部的輸?shù)?，鉆頭 內(nèi)部通道優(yōu)選為繞行的通道后，從鉆頭處的液氮出口流出。
[0036] 本發(fā)明在凍土中快速成孔的施工方法，通過(guò)液氮對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻，從而防止鉆頭 在沖擊作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生熱量導(dǎo)致所要進(jìn)行鉆孔作業(yè)的凍土融化形成泥漿，相應(yīng)地也就能夠 減少泥包鉆頭的現(xiàn)象發(fā)生，提高鉆孔作業(yè)的速度。
[0037] 本發(fā)明在凍土中快速成孔的施工方法一實(shí)施例中，在鉆桿帶動(dòng)固定在鉆桿底端的 鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行鉆孔作業(yè)的過(guò)程中，探測(cè)鉆頭的溫度；將探測(cè)到的鉆頭的溫度反饋給液氮流 量控制裝置，液氮流量控制裝置根據(jù)探測(cè)到的鉆頭的溫度調(diào)整輸入到鉆頭處的液氮的流 量，使得鉆頭的溫度控制在_3〇°C到+30°C之間。
[0038] 在鉆孔時(shí)鉆頭處的溫度過(guò)高容易泥包鉆頭，溫度如果過(guò)低，那么凍結(jié)泥土的硬度 就會(huì)大大增加，從而增加鉆孔的難度，容易磨損鉆頭。通過(guò)溫度傳感器91將溫度數(shù)據(jù)及時(shí) 傳給流量調(diào)節(jié)閥81，就能夠使孔洞底部的溫度控制在一個(gè)合適的水平，既能提高鉆孔速度 又能防止泥漿產(chǎn)生導(dǎo)致泥包鉆頭。
[0039] 本發(fā)明在凍土中快速成孔的施工方法一實(shí)施例中，在鉆孔作業(yè)過(guò)程中，液氮貯罐 中的液氮流經(jīng)供液管、鉆桿內(nèi)部的輸?shù)?，鉆頭內(nèi)部通道后，從鉆頭處的液氮出口流出并沿 著已鉆好的凍結(jié)孔的內(nèi)壁揮發(fā)，在揮發(fā)的同時(shí)對(duì)已鉆好的凍結(jié)孔的內(nèi)壁進(jìn)行再次凍結(jié)。這 樣能夠充分提高液氮的利用率。
[0040] 以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何 熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng) 涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種在凍土中快速成孔設(shè)備，包括鉆桿和鉆頭，其特征在于，所述鉆桿和鉆頭內(nèi)部 設(shè)置有貫穿的輸?shù)?，鉆頭處設(shè)有液氮出口，鉆桿后端連接有供液管，供液管與液氮貯罐相 連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成孔設(shè)備，其特征在于，所述鉆頭處的液氮出口開(kāi)設(shè)在所述 鉆頭的側(cè)壁上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成孔設(shè)備，其特征在于，在所述鉆頭內(nèi)部設(shè)有供液氮繞行的 通道，所述繞行通道一端與所述鉆桿內(nèi)部的輸?shù)紫噙B通，另一端開(kāi)口于所述鉆頭的背面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成孔設(shè)備，其特征在于，在所述鉆頭內(nèi)或所述鉆桿與所述鉆 頭的連接處設(shè)有一密閉腔，在所述密閉腔中設(shè)有溫度傳感器，所述溫度傳感器通過(guò)金屬減 震彈簧固定在所述密閉腔內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的成孔設(shè)備，其特征在于，所述供液管與液氮貯罐之間設(shè)有流 量調(diào)節(jié)閥，所述流量調(diào)節(jié)閥與流量調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制裝置相連，所述溫度傳感器也與所述 流量調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制裝置相連，所述流量調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制裝置根據(jù)所述溫度傳感器反 饋的溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)所述流量調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)輸入所述鉆桿內(nèi)部輸?shù)字械囊旱牧髁看?小。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成孔設(shè)備，其特征在于，所述供液管外部采用聚乙烯保溫材 料包扎。
7. -種在凍土中快速成孔的施工方法，其特征在于，包括如下步驟： 將鉆桿伸入已在預(yù)先凍結(jié)好的凍土中形成的鉆孔中； 通過(guò)供液管將液氮貯罐中的液氮輸入到固定在鉆桿底端的鉆頭處，對(duì)鉆頭進(jìn)行預(yù)冷； 預(yù)冷結(jié)束后，開(kāi)啟鉆機(jī)，鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿做旋轉(zhuǎn)沖擊動(dòng)作，鉆桿帶動(dòng)固定在鉆桿底端的鉆 頭旋轉(zhuǎn)沖擊進(jìn)行鉆孔作業(yè)； 在鉆孔作業(yè)過(guò)程中，液氮貯罐中的液氮流經(jīng)供液管、鉆桿內(nèi)部的輸?shù)?，鉆頭內(nèi)部通道 后，從鉆頭處的液氮出口流出。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的在凍土中快速成孔的施工方法，其特征在于，在鉆桿帶動(dòng)固 定在鉆桿底端的鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行鉆孔作業(yè)的過(guò)程中，探測(cè)鉆頭的溫度； 將探測(cè)到的鉆頭的溫度反饋給液氮流量控制裝置，液氮流量控制裝置根據(jù)探測(cè)到的鉆 頭的溫度調(diào)整輸入到鉆頭處的液氮的流量，使得鉆頭的溫度控制在_30°C到+30°C之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的在凍土中快速成孔的施工方法，其特征在于，在鉆孔作業(yè)過(guò) 程中，液氮貯罐中的液氮流經(jīng)供液管、鉆桿內(nèi)部的輸?shù)祝@頭內(nèi)部通道后，從鉆頭處的液 氮出口流出并沿著已鉆好的凍結(jié)孔的內(nèi)壁揮發(fā)，在揮發(fā)的同時(shí)對(duì)已鉆好的凍結(jié)孔的內(nèi)壁進(jìn) 行再次凍結(jié)。
【文檔編號(hào)】E21B10/00GK104110221SQ201410284274
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】楊仁樹(shù), 楊立云, 張新文 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)