激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验系统及方法

本发明涉及长距离钻探破岩，特别涉及一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验系统及方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

2、工程地质钻机可实现超前钻孔和钻进取芯功能，掌握前方施工地质环境，探清不明地质灾害，获取周边地质信息，及时指导工程施工作业，为地下工程的安全建设保驾护航。然而，在地下工程建设中经常需要进行长距离地质勘探，而现有的超前钻机施工工序时间太长，百米级距离的钻孔施工周期超过一天，工程现场不允许消耗大量时间在钻孔施工上，限制了超前钻探长距离钻孔的施工与应用；此外当传统钻机遭遇高磨蚀性硬岩、复合地层、破碎地层等复杂条件时，工程钻进效率急剧下降，装备异常磨损毁坏、卡钻埋钻问题时有发生，甚至出现安全事故。

3、在此背景下，基于激光、水射流、微波、粒子等新型破岩手段的新一代辅助破岩概念被提出来，并成为国际工程钻进领域的研究热点和科技前沿，在众多新型破岩方式中，激光技术具有低能高效、易于实现的优势，并且在石油工程领域已经有较为丰富的实践基础，被认为是一种非常有潜力的辅助破岩方法。

4、已有研究表明，激光辅助钻进施工可以有效提高破岩效率，其钻进速度可达传统钻机的10倍以上，在激光辅助下，不仅能大幅度提高钻进效率，还能延长钻头、钻杆的使用寿命，有效规避卡钻、异常磨损等灾害事故的发生。因此，高能激光辅助破岩技术在工程钻进领域具有很高的研究与应用价值。

5、发明发现，现有的激光辅助钻进施工装置在进行设计时，往往无法根据特定的应用场景进行优化模拟试验，导致装置的一体化和集成化水平较差，无法满足实际需求；而且，由于激光线路以及激光头的特殊性，激光破岩存在效率较低以及激光头防护清洁不到位的问题，使得激光辅助破岩技术在具体应用中具有一定的局限性。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验系统及方法，实现了全方位和多角度连续钻进，能够真实模拟地质钻机的钻进状态和钻进姿态，能够有效的模拟真实应力环境，增加了联合破岩效率，解决了激光-机械一体化搭载的设计难题，解决了激光的能量传输及激光头的清洁防护问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验系统。

4、一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验系统，包括：

5、用于试样的定位、夹持以及围压加载的围压加载装置；

6、用于执行激光机械联合钻进的激光机械联合钻具；

7、用于驱动激光联合钻具执行联合钻进的驱动装置；

8、用于搭载激光机械联合钻具和驱动装置的钻具搭载装置；

9、用于连接钻具搭载装置、调整激光机械联合钻具与试样之间的相对位置以改变激光-机械联合钻具钻进角度的位置调整装置。

10、作为本发明第一方面进一步的限定，围压加载装置，包括：试样基座、试样调整装置、围压加载岩箱和围压加载机构；

11、试样基座用于承载试样，试样调整装置用于推动试样至围压加载岩箱的指定位置，围压加载机构用于夹持固定岩石试样并向岩石试样施加压力。

12、作为本发明第一方面进一步的限定，驱动装置，包括：旋转加载模块和推力加载机构；

13、旋转加载模块，包括：液压马达、减速箱、钻杆夹持装置和动力头底座，钻杆夹持装置用于与激光机械联合钻具连接，液压马达经减速箱与钻杆夹持装置连接，减速箱和钻杆夹持装置均与动力头底座连接；

14、推力加载机构的一端与钻具搭载装置连接，推力加载机构的另一端与动力头底座连接，推力加载机构用于施加推力作用在动力头底座上以推动动力头底座进给，进而带动激光机械联合钻具推进破岩；

15、所述钻具搭载装置，包括：进给架和扶正器；

16、动力头底座滑动连接在进给架上，用于带动激光机械联合钻具沿进给架向前进给和向后后退；扶正器固定在进给架的前端，用于夹持扶正激光机械联合钻具。

17、作为本发明第一方面进一步的限定，位置调整装置，包括：角度调整模块、竖向位置调整机构、基座和横向位置调整机构；

18、角度调整模块的一端与进给架连接，另一端与导向套连接，角度调整模块用于带动钻具搭载装置实现角度调整，以实现激光机械联合钻具相对于岩石试样的相对钻进角度调整；

19、竖向位置调整机构，包括：立柱、导向套、螺栓孔和竖向调整油缸；

20、立柱连接在滑动座上，导向套套在立柱上，导向套的一端与角度调整模块连接，竖向加载油缸与角度调整模块连接，在竖向加载油缸推动作用下可带动导向套沿立柱竖向移动；

21、当导向套移动至指定位置后竖向加载油缸自锁，导向套上的螺栓孔用于进行二次螺栓固定；

22、横向位置调整机构包括滑槽、滑动座、横向调整电机和丝杠，基座用于置于基坑内部，以使得使试验装置下沉至地基基础平面下；

23、滑槽固定在基座上，滑槽的上端连接滑动座，滑动座一侧连接经丝杠连接横向调整电机，在横向调整电机的驱动下带动丝杠旋转，进而使得滑动座沿滑槽横向移动；

24、丝杠具有自锁功能，在滑动座移动至指定位置后，丝杠自锁固定。

25、作为本发明第一方面进一步的限定，激光机械联合钻具，包括：钻杆；

26、钻杆，包括：一级外杆、外杆变径段、二级外杆、一级内杆、内杆变径段、二级内杆、耐磨铜套和支撑环；

27、一级外杆通过外杆变径段与二级外杆连接，一级内杆通过内杆变径段与二级内杆连接，二级外杆的内径小于一级外杆的内径，二级内杆的内径小于一级内杆的内径，一级外杆套设在一级内杆外侧，一级外杆与一级内杆之间连接有耐磨铜套，一级内杆内设有支撑环。

28、作为本发明第一方面更进一步的限定，激光机械联合钻具，还包括：钻头；

29、钻头，包括：切削齿、加强齿、出水孔和出光孔，钻头为多翼pdc复合钻头结构，各翼切削齿为流线型布齿形式，各翼切削齿的后排布置加强齿；

30、钻头相邻翼之间设置出水孔，在偏离钻头中心位置设置激光出光孔，钻头中心布置切削齿。

31、作为本发明第一方面更进一步的限定，激光机械联合钻具，还包括：内杆微调机构；

32、内杆微调机构，包括：伺服电机、同步带轮和绝对值编码器，二级内杆通过同步带轮与伺服电机连接，绝对值编码器安装在同步带上，用于实时记录二级内杆转动角度，以进行激光头旋转角度调整，使激光束对准钻头的出光孔。

33、作为本发明第一方面更进一步的限定，激光机械联合钻具，还包括：激光头总成；

34、激光头总成，包括：激光头防护装置；

35、激光头防护装置，包括：激光头保护壳、蓝宝石镜片、可开合式挡片、气缸和气缸推杆；

36、激光头通过固定在激光头保护壳内，蓝宝石镜片安装在激光头外侧作为第一级防护，蓝宝石镜片外侧安装可开合式挡片，可开合式挡片通过气缸带动气缸推杆往复运动实现开合动作，可开合式挡片构成第二道防护。

37、作为本发明第一方面更进一步的限定，激光头防护装置，还包括：液体清洁模块和气体清洗模块；

38、液体清洁模块，包括：清洗水喷嘴、清洁水管、水箱水泵；

39、水箱水泵用于盛放并增压液体，清洁水管的一端与水泵连接，清洁水管安装在二级内杆和内杆变径段内，清洁水管的另一端通过支撑环与清洗水喷嘴连接，清洗水喷嘴的喷射方向朝向激光头；

40、气体清洗模块，包括：清洗气喷嘴、清洁气管和气泵；

41、气泵用于产生并增压气体，清洁气管的一端与气泵连接，清洁气管安装在二级内杆和内杆变径段内，清洁气管的另一端通过支撑环与清洗气喷嘴连接，清洗气喷嘴的喷射方向朝向激光头。

42、作为本发明第一方面更进一步的限定，激光头防护装置，还包括：密封模块；

43、密封模块置于蓝宝石镜片外侧，用于对激光头防护机构进行密封。

44、作为本发明第一方面更进一步的限定，还包括：排渣液管路；

45、排渣液管路，包括：水泵水箱、排渣水管和出水孔；

46、排渣水管的一端与水泵水箱连接，排渣水管置于二级内杆和内杆变径段内，通过支撑环传输至激光头保护罩外侧后与出水孔连接，以使得液体经出水孔排出后携带岩渣岩屑由一级外杆外侧返回。

47、本发明第二方面提供了一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验方法。

48、一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验方法，包括以下过程：

49、可开合挡片闭合，激光头处于封闭保护状态，通过驱动装置驱动钻杆，带动钻头进行机械切削钻进破岩，排渣水管通入排渣液进行排渣，钻进至指定位置后，驱动装置停止工作，激光机械联合钻具停止转动，关闭水泵，停止通入排渣液；

50、打开可开合挡片，通过清洗水喷嘴对蓝宝石镜片进行清洁，冲洗附着在蓝宝石镜片的灰尘，然后关闭水泵，清洗水喷嘴停止冲水，打开气泵，通过清洗气喷嘴吹净蓝宝石镜片上的水滴，然后开启激光器，进行激光破岩试验；

51、重复上述过程以实现激光-机械联合钻进破岩试验。

52、作为本发明第二方面进一步的限定，将岩样吊装至试样基座上，通过试样调整装置移动至围压加载岩箱内，在激光机械联合钻具进行钻进破岩试验时，通过围压加载机构对岩样施加制定大小的围压，模拟不同埋深下的地应力情况。

53、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

54、1、本发明创新性的提出了一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验及方法，通过位移调整装置实现了全方位和多角度连续钻进，能够更真实的模拟地质钻机的钻进状态和钻进姿态。

55、2、本发明创新性的提出了一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验及方法，通过围压加载装置模拟真实地应力环境，不仅能够真实的模拟破岩地应力环境，也能够用于岩样的定位与固定。

56、3、本发明创新性的提出了一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验及方法，通过将激光偏置的方式，增大了光斑破岩面积，提高了联合破岩效率。

57、4、本发明创新性的提出了一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验及方法，通过多管中管的结构形式，解决了激光-机械一体化搭载的设计难题。

58、5、本发明创新性的提出了一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验及方法，通过钻杆内的管线布置优化，解决了激光的能量传输及激光头的清洁防护问题。

59、6、本发明创新性的提出了一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验及方法，激光头外侧安装带有蓝宝石镜片的防护罩，蓝宝石镜片外侧安装可开合式挡片，激光照射启动时，可开合式挡板打开，随即激光头发射激光束，激光照射完毕后，可开合式挡板闭合，防止钻头钻进破岩时前方岩渣飞溅损坏激光头，实现了对激光头的两级防护。

60、7、本发明创新性的提出了一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验及方法，钻头破岩后，先采用高压水冲洗蓝宝石镜片上的灰屑，再用高压气吹干镜片上的水渍，保证了镜片干燥清洁，避免影响光路传输及烧坏镜片。

61、8、本发明创新性的提出了一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验及方法，激光头设置于所述内杆内，内杆尾端连接伺服电机和绝对值编码器，外杆带动钻头旋转破岩时，内杆不动，破岩停止后，内杆依靠绝对值编码器找到钻头出光孔位置，保证了激光的顺利射出，可实现激光对岩石试样的多点照射。

62、9、本发明创新性的提出了一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验及方法，扶正装置设置于所述钻具搭载平台前端，用于夹持所述激光机械联合钻具，减少了激光机械联合钻具在钻进破岩时产生的径向振动，提高了钻进精度。

63、10、本发明创新性的提出了一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验及方法，基座和位置调整装置皆位于所述基坑内部，围压施加模块底端置于所述基坑表面，使得试样能够在试验过程中置于地基平面上，减少了大型试样吊装带来的风险。

64、11、本发明创新性的提出了一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验及方法，一级外杆通过外杆变径段与二级外杆连接，实现了一级外杆直径缩减；一级内杆通过内杆变径段与二级内杆连接，实现了一级内杆直径缩减，钻杆直径缩减一方面增大孔壁与钻杆外壁的间距，利于排渣，另一方面也能减小成本。

65、12、本发明创新性的提出了一种激光-机械联合高效钻进破岩平台模拟试验及方法，钻头采用多翼pdc复合钻头结构，各翼切削齿采用流线型布齿形式，并在后排布置加强齿改善钻齿受力，钻头翼间设置多个出水孔，保证有足够流量的排渣液出渣，在偏离钻头中心位置设置激光出光孔，钻头中心布置切削齿，保证了中心岩柱能顺利切除。