一种在冻土中快速成孔设备及其施工方法

一种在冻土中快速成孔设备及其施工方法
【专利摘要】本发明公开一种在冻土中快速成孔设备及其施工方法，为提高钻进速度而发明。一种在冻土中快速成孔设备，包括钻杆和钻头，所述钻杆和钻头内部设置有贯穿的输氮孔，钻头处设有液氮出口，钻杆后端连接有供液管，供液管与液氮贮罐相连。本发明还公开了一种在冻土中快速成孔的施工方法，包括如下步骤：将钻杆伸入已预先冻结好的钻孔中；通过供液管将液氮贮罐中的液氮输入到固定在钻杆底端的钻头处，对钻头进行预冷；预冷结束后，开启钻机，钻机带动钻杆做旋转冲击动作，钻杆带动固定在钻杆底端的钻头旋转冲击进行钻孔作业；在钻孔作业过程中，液氮贮罐中的液氮流经供液管、钻杆内部的输氮孔，钻头内部通道后，从钻头处的液氮出口流出。本发明适用于冻结孔中采用钻头进行钻孔作业。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及矿山建设领域，特别是深厚表土层立井井筒冻结法施工过程中，快速 在冻土中进行钻爆法作业的方法，具体为一种在冻土中快速成孔设备及其施工方法。 一种在冻土中快速成孔设备及其施工方法

【背景技术】
[0002] 矿山井筒冻结法凿井过程中，由于井筒被冻实，导致机械开挖困难，需要采用钻爆 法作业。采用钻爆法作业时，首先需要进行钻孔作业。钻孔过程中面临的问题冲击钻头被 融化的土（变成泥）包裹住，即泥包钻头，无法继续冲击钻孔，导致钻眼速度慢。


【发明内容】

[0003] 针对上面的问题，本发明提供了一种在冻土中快速成孔设备及其施工方法，能够 减少泥包钻头的现象，提1?钻孔的速度。
[0004] 一方面，本发明实施例提供一种在冻土中快速成孔设备，包括钻杆和钻头，所述钻 杆和钻头内部设置有贯穿的输氮孔，钻头处设有液氮出口，钻杆后端连接有供液管，供液管 与液氮贮罐相连。
[0005] 可选的，所述钻头处的液氮出口开设在所述钻头的侧壁上。
[0006] 可选的，在所述钻头内部设有供液氮绕行的通道，所述绕行通道一端与所述钻杆 内部的输氮孔相连通，另一端开口于所述钻头的背面。
[0007] 可选的，在所述钻头内或所述钻杆与所述钻头的连接处设有一密闭腔，在所述密 闭腔中设有温度传感器，所述温度传感器通过金属减震弹簧固定在所述密闭腔内。
[0008] 可选的，所述供液管与液氮贮罐之间设有流量调节阀，所述流量调节阀与流量调 节阀的自动控制装置相连，所述温度传感器也与所述流量调节阀的自动控制装置相连，所 述流量调节阀的自动控制装置根据所述温度传感器反馈的温度，通过调节所述流量调节阀 来调节输入所述钻杆内部输氮孔中的液氮的流量大小。
[0009] 可选的，所述供液管外部采用聚乙烯保温材料包扎。
[0010] 本发明在冻土中快速成孔设备，钻杆和钻头内部设置有贯穿的输氮孔，钻头处设 有液氣出口，钻杆后端连接有供液管，供液管与液氣It罐相连。这样在钻孔作业时能够将液 氮贮罐中所储存的液氮经钻杆和钻头内部设置有贯穿的输氮孔，输送至钻头处，通过液氮 对钻头进行冷却，从而防止钻头在冲击作业过程中产生热量导致所要进行钻孔作业的冻土 融化形成泥浆，相应地也就能够减少泥包钻头的现象发生，提高钻孔作业的速度。
[0011] 另一方面，本发明还公开了一种在冻土中快速成孔的施工方法，包括如下步骤：将 钻杆伸入已在预先冻结好的冻土中形成的钻孔中；通过供液管将液氮贮罐中的液氮输入到 固定在钻杆底端的钻头处，对钻头进行预冷；预冷结束后，开启钻机，钻机带动钻杆做旋转 冲击动作，钻杆带动固定在钻杆底端的钻头旋转冲击进行钻孔作业；
[0012] 在钻孔作业过程中，液氮贮罐中的液氮流经供液管、钻杆内部的输氮孔，钻头内部 通道后，从钻头处的液氮出口流出。
[0013] 可选的，在钻杆带动固定在钻杆底端的钻头转动进行钻孔作业的过程中，探测钻 头的温度；将探测到的钻头的温度反馈给液氮流量控制装置，液氮流量控制装置根据探测 到的钻头的温度调整输入到钻头处的液氮的流量，使得钻头的温度控制在-30°c到+30°C 之间。
[0014] 可选的，在钻孔作业过程中，液氮贮罐中的液氮流经供液管、钻杆内部的输氮孔， 钻头内部通道后，从钻头处的液氮出口流出并沿着已钻好的冻结孔的内壁挥发，在挥发的 同时对已钻好的冻结孔的内壁进行再次冻结。
[0015] 本发明在冻土中快速成孔的施工方法，通过液氮对钻头进行冷却，从而防止钻头 在冲击作业过程中产生热量导致所要进行钻孔作业的冻土融化形成泥浆，相应地也就能够 减少泥包钻头的现象发生，提高钻孔作业的速度。

【专利附图】

【附图说明】
[0016] 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 发明的一些实施例，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 根据这些附图获得其它的附图。
[0017] 图1为本发明在冻土中快速成孔设备使用时的结构示意图；
[0018] 图2为本发明在冻土中快速成孔设备中钻头部分的剖视图；
[0019] 图3为本发明在冻土中快速成孔设备中钻头部分的俯视图。
[0020] 图中，1_钻杆；11_输氣孔；2_钻头；21_通道；3_冻土；4_冻结孔；5_冻土颗粒； 6_液氮出口；7-液氮贮罐；8-供液管；81-流量调节阀；9-密闭腔；91-温度传感器。

【具体实施方式】
[0021] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0022] 应当明确，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其 它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0023] 参看图1，本发明的在冻土中快速成孔设备实施例，包括钻杆1和钻头2,钻杆1和 钻头2内部设置有贯穿的输氮孔11，钻头2处设有液氮出口，钻杆1后端连接有供液管，供 液管8与液氮贮罐7相连。
[0024] 本发明实施例在冻土中快速成孔设备，可用于对预先冻结好的冻结孔31中进行 钻孔作业，冻结孔的周围经过冻结形成有冻土 3。钻杆和钻头内部设置有贯穿的输氮孔，钻 头处设有液氮出口，钻杆后端连接有供液管，供液管与液氮贮罐相连。这样在钻孔作业时能 够将液氮贮罐中所储存的液氮经钻杆和钻头内部设置有贯穿的输氮孔，输送至钻头处，通 过液氮对钻头进行冷却，从而防止钻头在冲击作业过程中产生热量导致所要进行钻孔作业 的冻土融化形成泥浆，相应地也就能够减少泥包钻头的现象发生，提高钻孔作业的速度。
[0025] 本发明在冻土中快速成孔设备一实施例中，所述钻头处的液氮出口开设在所述钻 头的侧壁上，这样依靠钻头周围的孔壁的阻碍作用，防止液氮从钻头中流出过快，在利用液 氮对钻头进行冷却减少泥包钻头的现象出现的同时，也能节省液氮的用量，降低成本。
[0026] 参看图2,本发明在冻土中快速成孔设备另一实施例中，在所述钻头2内部设有供 液氮绕行的通道21，所述绕行的通道21 -端与所述钻杆内部的输氮孔11相连通，另一端开 口于所述钻头的背面形成液氮出口 6。所述绕行的通道21 -方面有利于液氮对钻头的成分 冷却，另一方面对液氮的流动起到阻尼作用，防止液氮从钻头中流出过快。
[0027] 参看图3,多个液氮出口 6设置在钻头的背面，并绕钻杆成圆周分布，既能防止液 氮出口 6被冻土颗粒5堵塞，又能够将液氮均匀地释放到冻结孔的底端，能更好地降低冻结 孔侧壁的温度，减少液氮的浪费，提高液氮利用率。
[0028] 参看图2,本发明在冻土中快速成孔设备又一实施例中，在所述钻头2内或所述钻 杆1与所述钻头的连接处设有一密闭腔9,在密闭腔9中设有温度传感器91，所述温度传感 器91通过金属减震弹簧固定在所述密闭腔内，减震弹簧能够减少钻孔震动对温度传感器 的震动破坏。温度传感器91能够及时准确地测量钻头的温度。
[0029] 本发明在冻土中快速成孔设备又一实施例中，供液管8与液氮贮罐7之间设有流 量调节阀81，流量调节阀81与流量调节阀的自动控制装置相连，温度传感器91也与所述流 量调节阀的自动控制装置相连，流量调节阀的自动控制装置根据所述温度传感器反馈的温 度，通过调节所述流量调节阀来调节输入所述钻杆内部输氮孔中的液氮的流量大小。在钻 孔时钻头处的温度过高容易泥包钻头，温度如果过低，那么冻结泥土的硬度就会大大增加， 从而增加钻孔的难度，容易磨损钻头。通过温度传感器91将温度数据及时传给流量调节阀 81，就能够使孔洞底部的温度控制在一个合适的水平，既能提高钻孔速度又能防止泥浆产 生导致泥包钻头。
[0030] 本发明在冻土中快速成孔设备一实施例中，所述供液管8外部采用聚乙烯保温材 料包扎。
[0031] 本发明实施例还提供一种在冻土中快速成孔的施工方法，包括如下步骤：
[0032] S1、将钻杆伸入已在预先冻结好的冻土中形成的钻孔中；
[0033] S2、通过供液管将液氮贮罐中的液氮输入到固定在钻杆底端的钻头处，对钻头进 行预冷；
[0034] S3、预冷结束后，开启钻机，钻机带动钻杆做旋转冲击动作，钻杆带动固定在钻杆 底端的钻头旋转冲击进行钻孔作业；
[0035] S4、在钻孔作业过程中，液氮贮罐中的液氮流经供液管、钻杆内部的输氮孔，钻头 内部通道优选为绕行的通道后，从钻头处的液氮出口流出。
[0036] 本发明在冻土中快速成孔的施工方法，通过液氮对钻头进行冷却，从而防止钻头 在冲击作业过程中产生热量导致所要进行钻孔作业的冻土融化形成泥浆，相应地也就能够 减少泥包钻头的现象发生，提高钻孔作业的速度。
[0037] 本发明在冻土中快速成孔的施工方法一实施例中，在钻杆带动固定在钻杆底端的 钻头转动进行钻孔作业的过程中，探测钻头的温度；将探测到的钻头的温度反馈给液氮流 量控制装置，液氮流量控制装置根据探测到的钻头的温度调整输入到钻头处的液氮的流 量，使得钻头的温度控制在_3〇°C到+30°C之间。
[0038] 在钻孔时钻头处的温度过高容易泥包钻头，温度如果过低，那么冻结泥土的硬度 就会大大增加，从而增加钻孔的难度，容易磨损钻头。通过温度传感器91将温度数据及时 传给流量调节阀81，就能够使孔洞底部的温度控制在一个合适的水平，既能提高钻孔速度 又能防止泥浆产生导致泥包钻头。
[0039] 本发明在冻土中快速成孔的施工方法一实施例中，在钻孔作业过程中，液氮贮罐 中的液氮流经供液管、钻杆内部的输氮孔，钻头内部通道后，从钻头处的液氮出口流出并沿 着已钻好的冻结孔的内壁挥发，在挥发的同时对已钻好的冻结孔的内壁进行再次冻结。这 样能够充分提高液氮的利用率。
[0040] 以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应 涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1. 一种在冻土中快速成孔设备，包括钻杆和钻头，其特征在于，所述钻杆和钻头内部 设置有贯穿的输氮孔，钻头处设有液氮出口，钻杆后端连接有供液管，供液管与液氮贮罐相 连。
2. 根据权利要求1所述的成孔设备，其特征在于，所述钻头处的液氮出口开设在所述 钻头的侧壁上。
3. 根据权利要求1所述的成孔设备，其特征在于，在所述钻头内部设有供液氮绕行的 通道，所述绕行通道一端与所述钻杆内部的输氮孔相连通，另一端开口于所述钻头的背面。
4. 根据权利要求1所述的成孔设备，其特征在于，在所述钻头内或所述钻杆与所述钻 头的连接处设有一密闭腔，在所述密闭腔中设有温度传感器，所述温度传感器通过金属减 震弹簧固定在所述密闭腔内。
5. 根据权利要求4所述的成孔设备，其特征在于，所述供液管与液氮贮罐之间设有流 量调节阀，所述流量调节阀与流量调节阀的自动控制装置相连，所述温度传感器也与所述 流量调节阀的自动控制装置相连，所述流量调节阀的自动控制装置根据所述温度传感器反 馈的温度，通过调节所述流量调节阀来调节输入所述钻杆内部输氮孔中的液氮的流量大 小。
6. 根据权利要求1所述的成孔设备，其特征在于，所述供液管外部采用聚乙烯保温材 料包扎。
7. -种在冻土中快速成孔的施工方法，其特征在于，包括如下步骤： 将钻杆伸入已在预先冻结好的冻土中形成的钻孔中； 通过供液管将液氮贮罐中的液氮输入到固定在钻杆底端的钻头处，对钻头进行预冷； 预冷结束后，开启钻机，钻机带动钻杆做旋转冲击动作，钻杆带动固定在钻杆底端的钻 头旋转冲击进行钻孔作业； 在钻孔作业过程中，液氮贮罐中的液氮流经供液管、钻杆内部的输氮孔，钻头内部通道 后，从钻头处的液氮出口流出。
8. 根据权利要求7所述的在冻土中快速成孔的施工方法，其特征在于，在钻杆带动固 定在钻杆底端的钻头转动进行钻孔作业的过程中，探测钻头的温度； 将探测到的钻头的温度反馈给液氮流量控制装置，液氮流量控制装置根据探测到的钻 头的温度调整输入到钻头处的液氮的流量，使得钻头的温度控制在_30°C到+30°C之间。
9. 根据权利要求8所述的在冻土中快速成孔的施工方法，其特征在于，在钻孔作业过 程中，液氮贮罐中的液氮流经供液管、钻杆内部的输氮孔，钻头内部通道后，从钻头处的液 氮出口流出并沿着已钻好的冻结孔的内壁挥发，在挥发的同时对已钻好的冻结孔的内壁进 行再次冻结。
【文档编号】E21B10/00GK104110221SQ201410284274
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】杨仁树, 杨立云, 张新文 申请人:中国矿业大学(北京)