潜孔钻机以及用于钻岩的方法与流程

本发明涉及一种潜孔钻机，该潜孔钻机包括冲击装置，并且尤其涉及在冲击装置内的流体输送。钻机设有往复式冲击活塞，该往复式冲击活塞通过控制将加压流体馈送进入和排放离开工作腔室而移动，该活塞的工作表面位于工作腔室处。该活塞构造用以撞击直接地连接到钻机的钻头。

此外，本发明涉及一种用于钻岩的方法。

在本申请的独立权利要求的前序部分中更详细地描述本发明的技术领域。

背景技术：

能够通过各种岩钻机器在岩石中进行钻孔。可以利用将冲击和旋转加以组合的方法来执行钻凿。然后，此种钻凿称为冲击式钻凿。此外，冲击式钻凿可以根据冲击装置在钻凿期间在钻孔之外还是在钻孔中来进行分类。当冲击装置在钻孔中时，钻凿通常称为潜孔钻(dth)。由于冲击装置处在位于钻孔内的dth钻机中，因此冲击装置的结构需要紧凑。

在已知的dth钻机中，冲击装置的效率表现得不令人满意。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种新颖且改进的钻机以及用于钻岩的方法。

根据本发明的钻机的特征在于独立设备权利要求所述的表征特征。

根据本发明的方法的特征在于独立方法权利要求所述的表征特征。

所公开的解决方案的构思在于，该冲击装置包括活塞，该活塞设有轴向地穿过该活塞的纵向中心开口。因此，该活塞具有套筒状的构造。该套筒状活塞的外壳是实心的，这意味着活塞并不具有在外表面和内表面之间延伸的任何横向通孔。因此，该套筒状活塞并不设有能够打开和能够关闭的横向控制开口。此外，至少用于将加压流体馈送或供应进入到顶部工作腔室和底部工作腔室中的流体通道位于活塞的中心开口内。总而言之，本发明解决方案公开了一种用于dth钻机中的加压流体按路线输送的改进方式。

所公开的解决方案的优点在于，当通过处在活塞的中心开口内的所述流体通道将流体控制到两个工作腔室中时，则可以使处在工作腔室内的活塞的顶部工作区域和底部工作区域最大化。受加压流体影响的工作区域的尺寸增加意味着能够产生更大的冲击脉冲。因此，可以提高冲击装置的效率，而无需增加该冲击装置的外部尺寸。在已知的冲击装置中，流体按路线输送(routing)系统包括处在活塞之外的流体通道，由此这些流体通道限制了活塞的工作区域的尺寸。此外，当活塞不具有交叉孔时，该活塞的结构坚固且耐用。

另一个优点在于，当钻机被气动地操作时，该解决方案还确保了在工作循环期间为所供应的空气及其气动膨胀提供尽可能大的空间。

一个实施例的构思在于，除了馈送或供应流体通道之外，用于将加压流体排放离开顶部工作腔室和底部工作腔室的流体通道也位于活塞的中心开口内。换言之，两个工作腔室的馈送和排放都通过活塞孔进行，因此不需要围绕活塞布置的排放通道。因此，结构可以紧凑，并且活塞可以具有大的工作表面积。此外，无需任何专用的排放控制元件(诸如，控制套筒)就可以执行对排放流的控制，这简化了结构。

一个实施例的构思在于，通过设有实心外壳的套筒状活塞的移动来打开和关闭工作腔室与处在活塞的中心开口内的流体馈送通道之间的连接。换言之，通过活塞的位置来控制向两个工作腔室的馈送流。此外，如果两个工作腔室的排放流也通过活塞的中心开口按路线输送，则活塞的位置也控制该排放流。该实施例的优点在于，不需要任何单独的可移动的控制套筒或阀来用于控制馈送和排放。这简化了结构。具有实心套筒构造的活塞自身就为冲击装置的工作循环提供了所需的控制。

一个实施例的构思在于，该冲击装置包括馈送管，该馈送管布置在活塞的中心开口内。同轴地布置在套筒状活塞内的馈送管用于控制该冲击装置的流体流。该馈送管是包括外馈送管和内馈送管的两部分式结构。外馈送管被支承到活塞的轴向孔，并且内馈送管布置在该外馈送管内。换言之，该馈送管是双壁结构，该双壁结构为结构提供了处在活塞的中心开口内的附加轴向流体通道。因此，所公开的双馈送管的优点在于，该结构可以包括若干流体通道。在活塞与外馈送管之间、在外馈送管与内馈送管之间以及此外在内馈送管内均可以存在流体通道。

一个实施例的构思在于，如之前的实施例中公开的馈送管一样，馈送管处在该中心开口内。该馈送管是相对于壳体不可移动的元件。由于流体流通过活塞的移动来控制，因此无需根据工作循环来移动馈送管。

一个实施例的构思在于，上文公开的馈送管处在该活塞的中心开口内。与之前的实施例不同，该馈送管布置成能够相对于壳体轴向地移动。该解决方案的优点在于，可以通过调节馈送管的其中至少一根管的轴向位置来调节流体通道的打开和关闭的正时。因此，可以例如为钻机提供用于流体按路线输送的非对称正时特征。馈送管的轴向位置例如可以通过调节螺钉来调节。

一个实施例的构思在于，无需双壁系统或双管结构的上述公开的特征就执行冲击装置内的流体按路线输送。在该替代方案中，在活塞的中心开口内可以是两个或更多个单独的轴向流体通道，这些轴向流体通道用于单独地执行流体的供应和排放。

一个实施例的构思在于，该冲击装置包括两个单独的馈送管，这些馈送管布置在活塞的中心开口内。馈送管并未同轴地布置在套筒状活塞内。一个馈送管用于上工作腔室，并且另一馈送管用于下工作腔室。因此，存在单独的平行馈送管，用于控制冲击装置的流体流。该实施例是对一个单个同轴馈送管的替代例。

一个实施例的构思在于，馈送管处在活塞的中心开口内，该馈送管包括外馈送管内馈送管，内馈送管布置在外馈送管内。该双壁馈送管为活塞内的结构提供三个轴向通道。排放通道处在内馈送管内，由此流体从至少顶部工作腔室的排放构造成经由该排放通道执行。馈送通道处在外馈送管和内馈送管之间，该馈送通道在顶端处连接到入口端口，并且在冲击装置的工作循环期间提供恒定的流体供应。此外，顶部馈送通道处在外管和活塞之间，用于将流体从馈送通道输送到顶部工作腔室，并且由活塞打开和关闭，以控制工作循环。根据另一实施例的构思，底部工作腔室也经由内馈送管的排放通道进行排放。

一个实施例的构思在于，馈送管处在活塞的中心开口内，该馈送管包括上文公开的双壁或双管结构。内馈送管布置成轴向延伸到钻头。内管的底端布置在钻头的中心开口或孔内。内馈送管和钻头之间可以是流体紧密连接。经由内馈送管的内部通道排放的流体流可以通过钻头的孔流出冲击装置。钻头的孔与延伸到钻头的底面的至少一个冲洗通道流体连接。该实施例的优点在于，该内馈送管为冲击装置提供了方便且紧凑的流体路径。

一个实施例的构思在于，该馈送管包括至少一个横向排放开口，该至少一个横向排放开口处在馈送管的顶部处，并且穿过内管和外管，用于在由活塞打开时将顶部工作腔室排放到轴向排放通道。

一个实施例的构思在于，底部套筒处在钻机的底端部分处，该底部套筒围绕该活塞的底端部分以及钻头的顶端部分。该底部套筒包括允许从底部工作腔室到至少一个排放通道的流体连接的流体通道，该至少一个排放通道经过钻头并且将所排放的流体引导到钻头的侧部。该底部套筒以不可移动的方式连接到钻机的壳体。通过该底部套筒，合适的流体通道可以容易地布置在冲击装置的端部结构处。用于排放底部工作腔室的所述的流体连接通过活塞的轴向移动来控制。

一个实施例的构思在于，该钻机是能够气动操作的装置，并且流体是加压气体。

一个实施例的构思，该钻机和冲击装置是液压操作的装置。该装置例如可以通过加压水来使用。

可以将上文公开的实施例及其特征加以组合。

附图说明

在附图中将更详细地解释本发明的一些实施例，附图中：

图1示意性地示出了设有dth岩钻机器的岩钻机，

图2示意性地示出了处在钻孔的底部处的dth岩钻机器，

图3和图4示意性地示出了dth钻机的两个不同的剖视图，

图5示意性地并且放大地示出了图3和图4的钻机的一部分的剖视图，

图6示意性地示出了底部腔室的排放及对底部套筒的利用的正时，

图7示意性地示出了通过内馈送管的轴向通道的对底部腔室的替代性排放，

图8示意性地示出了内馈送管，该内馈送管允许顶部工作腔室和底部工作腔室通过内部轴向通道排放，

图9示意性地示出了适合于图3到图5的冲击装置的内馈送管，其中，仅仅顶部工作腔室通过内部轴向通道排放，

图10示意性地示出了外馈送管，并且图11是图10的d-d剖视图，

图12示意性地示出了图3到图5的冲击装置的活塞，并且图13是图12的套筒状活塞的剖视图，

图14到图16示意性地示出了可能的替代性套筒状活塞和处在活塞的中心开口内的轴向流体通道的剖视图，

图17示意性地示出了当活塞处于顶部馈送正时位置时的冲击装置的顶端的剖视图，以及

图18示意性地示出了当活塞处于顶部排放正时位置时的冲击装置的顶端的剖视图。

在附图中，为了清楚起见，以简化的方式示出了本发明的一些实施例。在这些附图中，相似的参考标记指代相似的部件。

具体实施方式

图1示出了岩钻机1，该岩钻机包括可移动载架2，该可移动载架设有钻臂3。钻臂3设有岩钻单元4，该岩钻单元包括馈送梁5、馈送装置6以及旋转单元7。旋转单元7可以包括齿轮系统和一个或多个旋转马达。旋转单元7可以被支承到托架8，该旋转单元随着该托架以可移动的方式支承到馈送梁5。旋转单元7可以设有钻凿设备9，该钻凿设备可以包括一个或多个钻凿管10以及dth钻机11，该一个或多个钻凿管彼此连接起来，并且该dth钻机位于钻凿设备9的最外端处。在钻凿期间，dth钻机11位于钻孔12中。

图2示出了dth钻机11，该dth钻机包括冲击装置13。冲击装置13相对于旋转单元7位于钻凿设备9的相反端处。在钻凿期间，钻头14直接地连接到冲击装置13，由此，由冲击装置13产生的冲击p传递到钻头14。钻凿设备9通过图1中示出的旋转单元7围绕该钻凿设备的纵向轴线在方向r上旋转，并且与此同时，通过馈送装置6，旋转单元7和连接到该旋转单元的钻凿设备9在馈送力f的作用下在钻凿方向a上馈送。然后，钻头14由于旋转r、馈送力f以及冲击p的作用而使得岩石破裂。加压流体通过钻凿管10从压力源ps馈送到钻机11。该加压流体可以是压缩空气，并且压力源ps可以是压缩机。对压力流体进行引导，以影响钻机的冲击活塞的工作表面，并且导致活塞以往复的方式移动，并且对钻头的冲击表面进行撞击。在用于钻机11的工作循环中之后，允许加压空气从钻机11排出，并且由此为钻头14提供冲洗。此外，所排放的空气在位于钻孔和钻凿设备9之间的环形空间中将所钻出的岩石材料从钻孔中推出。

图2通过箭头te指示钻机11的上端或顶端，并且通过箭头be指示钻机的下端或底端。

图3和图4公开了dth钻机11和该dth钻机的冲击装置13。在图3和图4中的不同点处示出横截面。钻机11包括伸长壳体15，该伸长壳体可以是套筒状框架部件。连接件16处在壳体15的顶端te处，钻机11能够通过该连接件而被连接到钻凿管。连接件16可以包括带螺纹的连接表面17。入口端口18与连接件16相连，该入口端口用于将加压流体馈送到冲击装置13。入口端口18可以包括阀装置18a，该阀装置允许流体朝向该冲击装置馈送，但防止流体在相反方向上流动。冲击装置13包括活塞19，该活塞布置成在该冲击装置的工作循环期间以往复的方式移动。冲击表面isa处在该活塞的底端be处，该冲击表面布置用以撞击处在钻头14的顶端处的冲击表面isb。正如可以注意到的那样，活塞19是套筒状部件，包括外表面和内表面，该外表面被支承抵靠于壳体的内表面，并且该内表面限定中心开口20。活塞19不具有任何横向通道或开口，并且仅仅包括从一端延伸到另一端的中心开口20。中心开口20用于将压力流体从入口端口18输送到顶部工作腔室21并且输送到底部工作腔室22。因此，无需围绕活塞19的馈送流体通道。活塞19具有顶部工作表面23，该顶部工作表面受到存在于顶部工作腔室21中的压力影响，并且由直径d1和d2所限定，其中，d1是活塞的外直径，并且d2是中心开口在顶端处的直径。底部工作表面24处在该活塞的底端处，该底部工作表面由直径d1和d3所限定，其中，d3是中心开口在底端处的直径。

馈送管25可以处在中心开口20内，该馈送管用于传导流体流。馈送管25可以从入口端口18延伸到钻头14。馈送管25可以包括外馈送管25a和内馈送管25b，该外馈送管支承到中心开口20，并且该内馈送管布置在外馈送管25a内。两个馈送管组件25a、25b为馈送管提供双壁结构，并且可以在活塞19的中心开口20内产生三个轴向流体通道。于是，流体通道26可以形成在活塞19和外馈送管25a之间，流体通道27可以形成在外馈送管25a和内馈送管25b之间，并且此外，流体通道28形成在内馈送管25b内。此外，顶部馈送腔室29处在活塞19内，该顶部馈送腔室在径向上受外馈送管25a限制。顶部馈送腔室29通过外馈送管25a的轴向流体通道30与顶部工作腔室21持续地流体连接。

压力空间31处在入口端口18处，在该压力空间中存在基本上恒定的压力。压力空间31与流体通道27和流体空间32恒定地流体连接。因此，在外馈送管25a和内馈送管25b之间存在恒定的流体压力，该恒定的流体压力可以根据活塞19的移动而被输送到工作腔室21和22。

馈送管25a、25b布置成相对于彼此不可移动，并且通常整个馈送管25布置成相对于壳体15不可移动。于是，活塞19相对于馈送管25移动，并且打开和关闭外馈送管25a和内馈送管25b的横向开口。活塞19的移动还打开和关闭流体空间32和底部工作腔室22之间的轴向连接，如下文将公开的那样。

图5公开了这样一种情况，其中，活塞19移动到该活塞的最右位置并且处于冲击点处。然后，活塞19的顶端打开从顶部工作腔室21通过馈送管25的横向开口33到内馈送管25b的流体通道28的流体连接。因此，顶部工作腔室21通过流体通道28排放，该流体通道布置在该活塞的中心开口20内。开口33由内馈送管25a和外馈送管25b的对准的开口33a和33b形成。内馈送管25b的内部流体通道28延伸到钻头14的中心孔14a，由此，顶部腔室21通过钻头排放。

图5还公开了：当活塞19在冲击方向a上朝向冲击点移动时，流体连接34则在控制肩部35和活塞19的中心开口20的底端部分36之间打开。由于流体空间32恒定地连接到入口端口18，因此压力流体然后可以从流体空间32流动到底部工作腔室22。这样，通过布置在活塞19的中心孔20内的流体通道，执行对底部腔室22的馈送。

如以上所公开的那样，顶部工作腔室21通过流体通道28排放，并且使得底部工作腔室22加压。施加到底部工作表面24的压力导致活塞19朝向返回方向b移动。随着活塞19朝向顶端te移动，控制肩部35然后关闭流体连接34。底部腔室22然后变为关闭的压力空间，在所使用的流体是压力空气的情形中，加压流体可以在该关闭的压力空间内膨胀。处在底部腔室22中的膨胀流体迫使活塞19在返回方向b上移动，并且然后活塞19的顶端关闭与横向开口33的连接，由此，顶部腔室21变为关闭空间。活塞19继续该活塞在返回方向b上的移动，并且活塞19的底端打开排放通道37b，底部腔室22通过该排放通道而经由通道38并且通过钻头的侧面排放。然而，活塞19仍在返回方向b上移动，并且肩部40打开处在流体通道27和顶部馈送腔室29之间的通道41。顶部馈送腔室29然后连接到馈送压力。由于顶部馈送腔室29和顶部工作腔室21通过轴向流体通道30而持续地流体连接，因此相同的压力也存在于顶部工作腔室21中。然后，到达活塞19的上死点，并且活塞19的移动方向朝向冲击方向a改变。当活塞19在冲击方向a上移动时，肩部40关闭通道31，并且顶部工作腔室21变为关闭压力空间，在该关闭压力空间内，所馈送的流体膨胀。活塞19的移动导致该活塞的顶端关闭从底部工作腔室22到流体通道37b的排放连接。该活塞继续它在冲击方向a上的移动，并且活塞19的顶端打开横向开口33，因此，允许顶部工作腔室21排放到处于内馈送管25b内的流体通道28。当活塞继续它的移动时，中心开口的端部36经过控制肩部34，并且打开流体通道34，用以将流体馈送到底部工作腔室22。活塞19冲击钻头14，并且工作循环能够以类似的方式继续。

图6详细地公开了底部腔室22的排放。流体通道37b和38b位于底部套筒42中。底部套筒42围绕活塞19的底端部分以及钻头14的顶端部分。流体通道37b和38b将正排放的流体流引导到钻头14的侧面。当活塞19在返回方向b上移动时，活塞19的边缘43打开排放连接。

图7公开了替代性解决方案，该替代性解决方案并不具有图3到图6的底部套筒。在图7中，底部工作腔室22经由内馈送管25b的排放通道28排放。因此，在该解决方案中，工作腔室21、22都排放到钻头14的中心孔14a。当活塞19在返回方向b上移动时，边缘44然后打开位于内管25b的底端处的横向开口45。控制肩部35在排放之前将顶部馈送腔室29和底部工作腔室22之间的流体连接关闭。

图8公开了内馈送管25b，该内馈送管包括用于顶部工作腔室的排放的横向开口33b和用于底部工作腔室的排放的横向开口45。开口33b和45位于扩大部48、49的凹槽46、47处。凹槽46、47将扩大部48、49的两侧上的流体空间进行连接。端部部件50可以处在内馈送管25b的底端be处，该端部部件可以以流体紧密的方式连接到钻头14的中心孔14b。

图9公开了适合于图3到图5的冲击装置的内馈送管25b，其中，仅仅顶部工作腔室通过内部轴向通道28排放。内馈送管包括横向开口33b，该横向开口用于连接顶部工作腔室和通道28。该内馈送管还包括控制肩部35和端部部件50。

图10和图11公开了外馈送管25a。外馈送管25a在其纵向中间段处包括扩大部51。若干轴向通道30穿过扩大部51，并且将扩大部51的相反两侧上的压力空间进行连接。此外，扩大部51包括若干横向排放开口33a和馈送开口41，这些开口穿过套筒状结构。中心空间52处在外管25a内，内馈送管可以布置在该中心空间内。

图12和图13公开了套筒状活塞19。在外表面53和内表面54之间并不存在孔洞或横向孔口，由此，该活塞具有实心外芯。中心开口20处在活塞19内，轴向流体通道和馈送管可以布置在该中心开口内。由于活塞19的往复式移动构造用以控制该冲击装置的工作循环，因此活塞19设有边缘40、55、56和57或控制表面，用于打开和关闭所述流体通道，如上文所公开的那样。

图14到图15公开了一些替代性的套筒状活塞19以及处在活塞19的中心开口20内的轴向流体路径fp1到fp3。图14到图16大大地简化，以提高明晰度。在图14中，一个馈送管25处在中心开口20内，由此，形成两个流体路径fp1和fp2。在图15中，存在两个单独的馈送管ft1和ft2以及这两个馈送管的流体路径fp1和fp2。此外，在图16中，一个单个馈送管25包括两个内部流动路径fp1和fp2。

图17公开了冲击装置在顶端te处的一部分，以及当活塞19在返回方向b上移动并且边缘40打开通向馈送通道41的连接时的情况，使得流体能够从轴向通道27流动到顶部馈送腔室20。由于顶部馈送腔室20和顶部工作腔室21通过图4和图10中示出的轴向通道30连接起来，因此在通道41打开之后，相同的压力将会存在于两个空间20、21中。

图18公开了冲击装置在顶端te处的一部分，以及当活塞19在冲击方向a上移动时的情况。然后，边缘55或控制表面打开从顶部工作腔室21到排放通道28的横向流体通道33，由此，顶部工作腔室21通过内馈送管25b排放。

附图和相关描述仅用于说明本发明的构思。本发明的细节可以在权利要求书的范围内变化。