一种机械刀与激光破岩组合的掘进钻头及方法

1.本技术属于钻井工程技术领域，更具体地说，是涉及一种机械刀与激光破岩组合的掘进钻头及方法。


背景技术：

2.随着向地球深部进军的步伐加快，在地下有色金属开采过程中，如何高效破碎掘进高硬度的岩石成了亟待解决的问题。在破岩掘进过程中，传统的纯机械式破岩利用钻头的高转速、高转矩及高载压，进行掘进，但这种破岩方式无法在保证高效率的同时降低钻头的高磨损率，掘进效率与钻头寿命难以协调统一。
3.由于传统的机械式破岩钻头在掘进过程中，常遇到高硬度岩石难以破碎，发生岩石卡死钻头、无法掘进的现象。此时纯机械式钻头既难以向前继续破岩，又因被岩石围裹而难以后退收回。通常只能选择废弃钻头或将钻头周围岩石全部破碎以取出钻头，经济效益与掘进速度双双受限。基于这种现状，急需一种新型破岩掘进钻头装置。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种机械刀与激光破岩组合的掘进钻头，以解决现有技术中钻头存在卡死现象而导致掘进效率低的技术问题。
5.为实现上述目的，本技术采用的技术方案是：提供一种机械刀与激光破岩组合的掘进钻头，包括：钻头本体、激光组件、机械刀组件和控制系统，所述钻头本体上轴向开设有用于安装所述激光组件的第一安装孔以及安装所述机械刀组件的第二安装孔，所述钻头本体上径向设有供所述激光组件发出的激光射出的第一出孔，所述钻头本体上径向设有供所述机械刀组件伸出所述钻头本体表面的第二出孔，所述机械刀组件包括机械刀控制器、机械刀升降件、机械刀支撑副和机械破岩主刀；所述机械破岩主刀的一端铰接在所述机械刀升降件上，另一端为破碎端，所述机械刀支撑副的一端与所述机械破岩主刀铰接，另一端活动式设置在所述机械刀升降件上，所述机械刀升降件驱使所述机械刀支撑副沿轴线往复运动以使所述机械破岩主刀的破碎端经所述第二出孔伸出所述钻头本体表面或收缩至所述第二安装孔内。
6.在一个实施方式中，所述机械破岩主刀和所述机械刀支撑副呈“人”字型设置在所述机械刀升降件上。
7.在一个实施方式中，所述机械刀升降件包括固定杆、升降传动件和活动轴，所述固定杆固定在所述第二安装孔内，所述升降传动件设置在所述固定杆内，所述固定杆的侧壁设有导向长条槽，所述活动轴活动式设置在所述导向长条槽内，所述升降传动件与所述活动轴传动连接并驱动所述活动轴沿所述导向长条槽往复运动，所述机械刀支撑副与所述活动轴连接。
8.在一个实施方式中，所述升降传动件包括间隔设置在所述固定杆上的主动轮和从动轮，与所述主动轮和从动轮连接的传动皮带或传动链条，以及驱动所述主动轮转动的电
机，所述活动轴固定在所述传动皮带或传动链条上。
9.在一个实施方式中，所述第二出孔为长条型孔，所述固定杆为空心方型杆，所述固定杆焊接固定于所述第二安装孔的底部。
10.在一个实施方式中，所述激光组件包括激光发生器、激光头和传感器探头，所述激光头和所述传感器探头固定在所述第一安装孔的底部并朝向所述第一出孔设置。
11.在一个实施方式中，所述激光头和所述传感器探头通过固定抱箍叠加设置在所述第一安装孔的底部。
12.在一个实施方式中，所述第一安装孔和第二安装孔至少设置有两个，且所述第一安装孔和第二安装孔交错呈圆周分布在所述钻头本体上。
13.在一个实施方式中，所述钻头本体包括前端和后端，前端的直径小于后端的直径，前端为尖头端。
14.本技术的另一目的在于提供一种机械刀与激光破岩组合的掘进方法，基于如上述的机械刀与激光破岩组合的掘进钻头，所述掘进方法包括以下步骤：
15.s1、待钻头本体钻入至地面内且卡滞难以转动后，激光组件在控制系统的控制下发射激光，激光经第一出孔射出并对岩石进行激光破岩；
16.s2、机械刀组件在控制系统的控制下工作，机械刀控制器控制机械刀升降件工作，驱动机械刀支撑副运动以使机械破岩主刀经第二出口伸出钻头本体表面和收缩至第二安装孔内，机械破岩主刀往复伸出时会敲击岩石进行振动破碎；
17.s3、岩石由于激光照射及机械破岩主刀振动的双重作用产生裂纹与破碎，钻头本体逐步恢复至高速旋转状态，钻头本体在旋转过程中，机械破碎主刀可持续保持伸出状态对岩石进行旋转破碎，或者，钻头本体在旋转过程中，机械破碎主刀收缩在第二安装孔内。
18.本技术提供的机械刀与激光破岩组合的掘进钻头及方法的有益效果在于：利用机械破岩主刀振动和切割以及激光破岩的组合方式来破碎岩石，这样大大提高了破岩效率，可以有效解决钻头卡死现象。激光的预先加热作用引起钻头侧面的岩石内部产生裂纹，降低了岩石强度，提高机械破岩主刀的振动及切割速率；机械破岩主刀旋转切割钻头侧面岩石，清理掉激光破岩而产生的残渣，进一步提高激光破岩效率，两者相互配合提高掘进效率。适用于对高硬度岩石材料进行加工，克服了纯机械破岩方法易卡死钻头的问题，在深地资源绿色安全开发领域具有较大的应用前景。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，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技术的一些实施例，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他的附图。
20.图1为本技术实施例提供的机械刀与激光破岩组合的掘进钻头的结构示意图；
21.图2为本技术实施例提供的机械刀与激光破岩组合的掘进钻头的俯视结构示意图；
22.图3为本技术实施例提供的机械刀与激光破岩组合的掘进钻头中机械刀组件的伸出状态结构示意图；
23.图4为本技术实施例提供的机械刀与激光破岩组合的掘进钻头中机械刀组件的收缩过程状态结构示意图；
24.图5为本技术实施例提供的机械刀与激光破岩组合的掘进钻头中机械刀组件的完全收缩状态结构示意图；
25.图6为本技术实施例提供的机械刀与激光破岩组合的掘进钻头中机械刀组件的完全收缩状态的左侧结构示意图；
26.图7为本技术实施例提供的机械刀与激光破岩组合的掘进钻头中机械刀组件的升降驱动件的主结构示意图；
27.图8为本技术实施例提供的机械刀与激光破岩组合的掘进钻头中机械刀组件的升降驱动件的左侧结构示意图。
28.其中，图中各附图标记：
29.1、钻头本体；11、第一安装孔；12、第二安装孔；13、第一出孔；14、第二出孔；15、前端；16、后端；2、激光组件；21、激光发生器；22、激光头；23、传感器探头；24、固定抱箍；3、机械刀组件；31、机械刀控制器；32、机械刀升降件；321、固定杆；3211、导向长条槽；3212、收纳长条槽；322、升降传动件；3221、主动轮；3222、从动轮；3223、传动链条；323、活动轴；33、机械刀支撑副；34、机械破岩主刀；341、破碎端；4、控制系统。
具体实施方式
30.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术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技术，并不用于限定本技术。
31.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
32.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
33.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
34.如图1-图8所示，现对本技术实施例提供的一种机械刀与激光破岩组合的掘进钻头进行说明。该机械刀与激光破岩组合的掘进钻头，包括：钻头本体1、激光组件2、机械刀组件3和控制系统4。其中控制系统4与激光组件2和机械刀组件3电连接，起控制作用，控制系统4为现有操控系统。在钻头本体1上轴向设有第一安装孔11和第二安装孔12，第一安装用于安装激光组件2，第二安装孔12用于安装机械刀组件3。在钻头本体1上径向设有第一出孔13和第二出孔14，第一出孔13与第一安装孔11的底部连通，第二出孔14与第二安装孔12连通，第一安装孔11和第一出孔13的剖视图呈l型，第二安装孔12和第二出孔14的剖视图呈l
型。第一出孔13用于供激光组件2发出的激光射出，以对钻头本体1侧面的岩石进行激光破岩，第二出孔14用于供机械刀组件3伸出钻头本体1表面，或者收缩至第二安装孔12内，机械刀组件3伸入钻头本体1表面时会撞击钻头本体1侧面岩石，从而产生振动，以对岩石进行破碎。
35.具体地，如图1、图3-图6所示，机械刀组件3包括机械刀控制器31、机械刀升降件32、机械刀支撑副33和机械破岩主刀34；机械刀控制器31设置在第二安装孔12内且与控制系统4电连接，机械破岩主刀34的一端铰接在机械升刀降件32上，另一端为破碎端341，机械刀支撑副33的一端与机械破岩主刀34铰接，另一端活动式设置在机械刀升降件32上，机械刀升降件32驱使机械刀支撑副33沿轴线往复运动以使机械破岩主刀34的破碎端341经第二出孔14伸出钻头本体1表面或收缩至第二安装孔12内。在工作时，机械刀控制器31控制机械刀升降件32工作，以带动机械刀支撑副33沿轴线往复运动，从而带动机械破岩主刀34的破碎端341往复伸出钻头本体1表面，以对岩石进行往复敲击振动破碎，当钻头本体1旋转时，机械破岩主刀34的破碎端341对岩石进行旋转切割破碎。
36.在本实施例中，利用机械破岩主刀34振动和切割以及激光破岩的组合方式来破碎岩石，这样大大提高了破岩效率，可以有效解决钻头卡死现象。激光的预先加热作用引起钻头侧面的岩石内部产生裂纹，降低了岩石强度，提高机械破岩主刀34的振动及切割速率；机械破岩主刀34旋转切割钻头侧面岩石，清理掉激光破岩而产生的残渣，进一步提高激光破岩效率，两者相互配合提高掘进效率。适用于对高硬度岩石材料进行加工，克服了纯机械破岩方法易卡死钻头的问题，在深地资源绿色安全开发领域具有较大的应用前景。
37.在本实施例中，如图1和图3所示，机械破岩主刀34和机械刀支撑副33呈“人”字型设置在机械刀升降件32上。通过机械刀升降件32拉动机械刀支撑副33可以调节“人”字型的张开角度，从而调节机械破岩主刀34伸出钻头本体1表面的距离。机械刀支撑副33的一端铰接在机械破岩主刀34的中间，另一端活动式设置在机械刀升降件32上。在本实施例中，机械破岩主刀34的倾斜角度最大为45
°
。
38.在本实施例中，如图3-图8所示，机械刀升降件32包括固定杆321、升降传动件322和活动轴323，固定杆321固定在第二安装孔12内，升降传动件322设置在固定杆321内，固定杆321的侧壁设有导向长条槽3211，活动轴323活动式设置在导向长条槽3211内，升降传动件322与活动轴323传动连接并驱动活动轴323沿导向长条槽3211往复运动，机械刀支撑副33与活动轴323连接。具体地，固定杆321为方型杆，两个侧面设有导向长条槽3211，另一两个侧面设有收纳长条槽3212，收纳长条槽3212用于收纳机械刀支撑副33和机械破岩主刀34，收纳状态如图5和图6所示。机械刀支撑副33的一端通过收纳长条槽3212铰接在活动轴323上。
39.在本实施例中，如图7和图8所示，升降传动件322包括间隔设置在固定杆321上的主动轮3221和从动轮3222，与主动轮3221和从动轮3222连接的传动皮带或传动链条3223，以及驱动主动轮3221转动的电机(图中未示出)，活动轴323固定在传动皮带或传动链条3223上。其中电机驱动主动轮3221转反转，从而利用传动皮带或传动链条3223带动活动轴323往复运动。电机与主动轮3221直接连接，或者通过齿轮、蜗轮蜗杆等结构连接。在本实施例中，传动皮带或传动链条3223间隔设置有两条，机械刀支撑副33位于两条传动皮带或传动链条3223之间。当然，在其他实施方式中，升降传动件322还可以采用油缸、丝杠组件等结
构来驱动活动轴323的往复运动。机械刀支撑副33为u型结构，机械刀支撑副33的开口端与机械破岩主刀34的中部铰接。
40.如图1和图2所示，在本实施例中，第二出孔14为长条型孔，第二出孔14的宽度大于机械破岩主刀34和机械刀支撑副33的厚度之和，这样方便机械破岩主刀34的伸出和收缩。固定杆321为空心方型杆，固定杆321焊接固定于第二安装孔12的底部。
41.如图1所示，在本实施例中，激光组件2包括激光发生器21、激光头22和传感器探头23，激光头22和传感器探头23固定在第一安装孔11的底部并朝向第一出孔13设置，传感器探头23用于通过第一出孔13来感应岩石参数，以便控制系统4调节激光发生器21和激光头22的参数，激光头22的参数包括功率、离焦量及辐射时间；激光头22用于将激光发生器21产生的激光进行聚集，然后射出以对岩石进行激光破岩。
42.具体地，激光头22和传感器探头23通过固定抱箍24叠加设置在第一安装孔11的底部。通过固定抱箍24的方式进行安装，这样方便激光头22和传感器的安装与维修更换。
43.在本实施例中，如图2所示，第一安装孔11和第二安装孔12至少设置有两个，且第一安装孔11和第二安装孔12交错呈圆周分布在钻头本体1上。这样设置可以对钻头本体1的四周岩石进行激光及机械交错破岩，保证破岩效率，有效解决钻头本体1卡死现象。
44.在本实施例中，钻头本体1包括前端15和后端16，前端15的直径小于后端16的直径，前端15为尖头端，机械破岩主刀34从前端15的侧面伸出。
45.在本实施例中，还提供一种机械刀与激光破岩组合的掘进方法，基于如上述的机械刀与激光破岩组合的掘进钻头，该掘进方法包括以下步骤：
46.s1、待钻头本体1钻入至地面内且卡滞难以转动后，激光组件2在控制系统4的控制下发射激光，激光经第一出孔13射出并对岩石进行激光破岩；
47.s2、机械刀组件3在控制系统4的控制下工作，机械刀控制器31控制机械刀升降件32工作，驱动机械刀支撑副33运动以使机械破岩主刀34经第二出口伸出钻头本体1表面和收缩至第二安装孔12内，机械破岩主刀34往复伸出时会敲击岩石进行振动破碎；
48.s3、岩石由于激光照射及机械破岩主刀34振动的双重作用产生裂纹与破碎，钻头本体1逐步恢复至高速旋转状态，钻头本体1在旋转过程中，机械破碎主刀可持续保持伸出状态对岩石进行旋转破碎，或者，钻头本体1在旋转过程中，机械破碎主刀收缩在第二安装孔12内。
49.其中，钻头本体1周围的岩石由于激光照射、机械破岩主刀34振动，产生裂纹与破碎，从而降低了周围岩石的强度，解决钻头在岩壁中掘进时的卡死问题，恢复钻头的高速转动掘进的工作状态；在钻头本体1恢复转动之后，因机械破岩主刀34切割的岩石被激光预先照射出裂纹、激光破岩的副产物被机械破岩主刀34切碎，使得机械与激光组合破岩的效率远远高于单一破岩效率；机械与激光破岩组合的掘进方法，使得钻头本体1避免被高硬度岩石卡死的状况发生，提升了钻头的工作效率、降低了钻头的磨损率，可应对更为复杂的破岩情况。
50.具体实施时，钻头本体1先借助高转速、高转矩及高载压的特性，对岩石进行破碎掘进。当钻头本体1在遇到高硬度岩石时，也会和传统的纯机械式破岩的钻头一样，遇到难以破碎的部分而无法继续掘进，进而加大钻头的磨损情况，导致钻头报废。或被高硬度岩石包裹以至于钻头被卡死，无法掘进也无法退出钻头，陷入停工状态，若要取出钻头，需要花
费更大的精力对钻头周围的岩石整体进行破碎。而本发明提供的掘进钻头，在遇到高硬度岩石难以破碎而被周围岩石包裹卡死的情况时，控制系统4可发出指令，借助传感器探头23传回的岩石参数，调整激光发生器21发出对应的激光，经激光头22聚能，穿过钻头本体1侧面的第一出孔13对周围岩石进行加热破碎；同时，控制系统4对机械刀控制器31发出指令，通过机械刀升降件32上的活动轴323来控制机械刀支撑副33的伸缩，进而牵动机械破岩主刀34，经过钻头本体1侧面的第二出孔14不停的伸出与收缩，以对周围岩石进行振动破碎。经过激光与机械刀双重破岩工作，包裹钻头本体1的岩石产生裂纹与破碎，岩石强度降低。此时，工作人员可通过控制系统4操控钻头本体1恢复转动，继续进行破岩掘进工作。
51.需要说明的是，钻头本体1正常进行破岩掘进的工作时，激光与机械刀破岩方式具有可开启\可关闭两种工作状态，具体情况可由工作人员借助控制系统4灵活掌握。
52.从上述描述可知，本实施例提供的一种机械刀与激光破岩组合的掘进方法，能够利用机械破岩主刀34切割与激光破岩的组合方式来破碎岩石。激光的预先加热作用引起钻头本体1侧面的岩石内部产生裂纹，降低了岩石强度，提高机械破岩主刀34的切割速率；机械破岩主刀34旋转切割钻头侧面岩石，清理掉激光破岩而产生的残渣，进一步提高激光破岩效率。适用于对高硬度岩石材料进行加工，克服了纯机械破岩方法易卡死钻头、纯激光破岩产生的熔融物质降低效率的问题，在深地资源绿色安全开发领域具有较大的应用前景。
53.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。