脉冲功率钻孔工具和用于破碎矿物基质的方法与流程

本公开涉及一种用于破碎矿物基质的脉冲功率钻孔工具和一种通过使脉冲电流穿过矿物基质来破碎矿物基质的方法。所公开的工具和方法可以例如应用于凿岩、混凝土加工、矿物加工和连续采矿。

背景技术：

1、在凿岩领域中，近年来已出现了新技术，称为电脉冲钻孔(epb)、等离子体通道钻孔、脉冲等离子体钻孔等。该技术依赖于与岩石材料产生接触的机械电极以及在电极之间施加高电压。如果放电成功，会穿透岩石材料并破碎松散的小块。在一些应用中，提出绝缘流体来防止电极之间的直接放电。然而，对于大多数应用，出于实际原因必须使用水，在某些情况下甚至使用盐水。这使得实现电极和岩石材料之间的良好接触至关重要，因为通过水的放电路径否则将变得比经由岩石材料的期望放电路径更有吸引力。

2、钻头通常包括多个电极对。由于岩石表面从来都不是理想平坦的，钻头的一个或多个电极可能不与岩石表面直接接触。因此，一些放电可能直接发生在电极之间，而不穿透岩石材料。当放电不穿透岩石材料时，发生效率损失。最终，这种失败的岩石穿透将导致没有实现岩石破坏。

3、早期已经提出了单独悬挂的弹簧加载电极，每个电极都与岩石接触。然而，这种电极易碎且容易磨损。

技术实现思路

1、本公开的主要目的是在至少某个方面实现用于脉冲功率钻孔的改进的钻孔工具和方法。特别地，实现这样的钻孔工具和方法的目的是减少与现有技术的脉冲功率钻孔工具相关的至少一些缺点，诸如电极之间的非穿透放电、低效率和电极的过度磨损。

2、根据本公开的第一方面，至少主要目的是通过根据权利要求1的脉冲功率钻孔工具(下文中也称为钻孔工具)实现的。钻孔工具被配置用于使脉冲电流穿过矿物基质以破碎矿物基质。该钻孔工具包括：

3、-脉冲功率发生器，用于产生高压电流脉冲，

4、-钻头，包括至少一对第一电极和第二电极，第一电极包括第一固体电极部分，第二电极包括第二固体电极部分，第一固体电极部分和第二固体电极部分能电连接到脉冲功率发生器，以及

5、-至少一个电离装置，被配置用于产生至少从第一固体电极部分延伸到矿物基质的表面的至少一个电离流体容积，以便允许高压电流脉冲经由至少一个电离流体容积和矿物基质在第一固体电极部分和第二固体电极部分之间通过。

6、通过提供用于在固体电极部分中的至少一个与矿物基质之间产生电离流体容积的电离装置，可以在固体电极部分与矿物基质之间实现高电导率的区域。与围绕电离流体容积的非电离流体相比，电离流体容积将具有明显更高的电导率，这意味着高压电流脉冲将从固体电极部分穿过电离流体容积到达矿物基质。通过在固体电极部分与矿物基质之间提供较高电导率的容积，由此可以实现固体电极部分与矿物基质之间的电接触，该电接触足以将电流引导到矿物基质中，而不“泄漏”到电离流体容积的周围环境中。以这种方式提供的电接触不依赖于固体电极部分与矿物基质之间的任何机械接触。因此，对于不平整的基质表面，也可以实现良好的电接触。从而，可以降低电极磨损以及电极之间非穿透放电的风险，同时可以提高钻孔工艺效率。

7、本公开的另一个优点是，通过例如调节电离程度和/或通过调节电离流体的流量，电离流体容积可以容易地适应于矿物基质的介电性质，例如以改变电离流体容积的直径。电离程度乘以流量将导致电离流体的一定电导率，这可以用于降低矿物基质的表面的功率反射率。因此提高了阻抗匹配的可能性。

8、高压电流脉冲将在矿物基质中产生等离子体通道，电流脉冲经由该等离子体通道传递到另一电极。为了使电流在电极之间通过，电极之间的电势差必须存在。为此，至少一对第一电极和第二电极可以包括正电极和负电极，但是也可以例如提供一个正电极或负电极以及一个零电位电极。

9、术语“电离流体”在本文中被理解为涵盖等离子体，含有带正电和带负电的粒子。术语“电离流体”应进一步理解为涵盖电离气体和电离液体，以及含有固体物质的带电粒子(诸如纳米粒子或微粒)的流体。

10、可选地，至少一个电离装置可以被配置用于产生至少从第一固体电极部分延伸到矿物基质的表面的第一电离流体容积以及至少从第二固体电极部分延伸到矿物基质的表面的第二电离流体容积，第一电离流体容积与第二电离流体容积隔离，以便允许高压电流脉冲经过第一电离流体容积、矿物基质和第二电离流体容积。在这种情况下，不需要固体电极部分中的任一个与矿物基质之间的机械接触，因此可以进一步减少电极磨损。从而，电极变得更坚固且更便宜。第一电离流体容积和第二电离流体容积之间的隔离可以例如通过供应与电离流体容积和固体电极部分相比具有相对差的电导率的屏蔽流体(诸如液体)来实现。屏蔽流体例如可以是冲洗流体，诸如水或甚至盐水。

11、可选地，第二固体电极部分可以替代地被配置成机械地压靠矿物基质，其中至少一个电离流体容积与第二固体电极部分隔离。通过将第二固体电极部分机械地压靠矿物基质，有助于第一固体电极部分相对于矿物基质的正确定位，即定位在将为产生电离流体容积提供最佳条件的距离处。如上面解释的，可以实现电离流体容积和第二固体电极部分之间的隔离。

12、可选地，至少一个电离装置包括至少一个等离子体发生器，并且钻孔工具进一步包括：

13、-压缩气体供应系统，用于向至少一个等离子体发生器供应压缩气体，

14、其中至少一个等离子体发生器被配置以电离压缩气体以产生等离子体，至少一个电离流体容积由等离子体形成。因此，在这种情况下，术语“电离流体”指等离子体。等离子体发生器，例如可以是有时称为等离子体炬或等离子管的类型，从压缩气体供应源产生稳定的电离流体容积。特别地，等离子管/等离子体炬在任意气体中高效地产生稳定连续的等离子体流。压缩气体可以是压缩空气或压缩惰性气体，诸如氩气(ar)。惰性气体通常提供更稳定的等离子体，这对于固体电极部分和矿物基质之间相对大的距离是有用的。另一方面，可以使用压缩机容易地且连续地形成压缩空气，压缩空气不需要在使用后收集和再循环，对于固体电极部分和矿物基质之间相对短的距离工作良好。

15、等离子体发生器允许所产生的等离子体的电离程度被控制在数量级以上并且在纳秒内。因此，等离子体的包括电导率和电感率的特性可以容易地调整，以适应电流脉冲到矿物基质的优化传输的需要。这对于快速和超快脉冲尤其重要，在快速和超快脉冲中，大部分脉冲能量归因于沿着电极行进的电磁波。对于等离子体的任何给定的电离程度，通过施加外部磁场，迫使等离子体的电子进入螺旋轨迹，等离子体的感应行为可以被控制在至少一个数量级以上。因此，等离子体本身可以用作阻抗匹配高压电流脉冲的手段，确保大部分脉冲能量被输送到矿物基质而不在其他地方损失。

16、作为提供用于产生电离流体容积的等离子体发生器的替代方案，可以提供例如紫外线(uv)脉冲源或伽马源，诸如x射线源，用于产生电离辐射脉冲。可以进一步提供用于离子的热产生的热电离装置，或者使用来自脉冲功率发生器的预放电来产生电离流体容积。

17、可选地，至少一个等离子体发生器包括与脉冲功率发生器分开布置的低压电源。

18、可选地，至少第一电极包括第一等离子体发生器，进一步可选地，第二电极包括第二等离子体发生器。因此，对于其中分别在第一固体电极部分和第二固体电极部分与矿物基质之间产生电离流体容积的电极对，第一电极和第二电极可以包括它们自己的等离子体发生器。对于其中第二固体电极部分被配置成机械地应用于矿物基质的电极对，可以在第一电极内提供单个等离子体发生器。在包括多个电极对的钻孔工具中，等离子体发生器可以包括在每对电极的一个或两个电极中。

19、可选地，每个等离子体发生器包括壳体，该壳体可电连接到脉冲功率发生器，并且进一步电连接到电极的固体电极部分，等离子体发生器布置在电极中。这使得高压电流脉冲能够从脉冲功率发生器经由壳体和固体电极部分传递到等离子体。

20、可选地，作为替代方案，至少一个等离子体发生器布置在电极的上游，至少一个等离子体发生器被配置以向至少第一电极和可选地向第二电极供应等离子体。高压电流脉冲在电极的固体电极部分耦合到等离子体，该固体电极部分在这里不电连接到等离子体发生器。因此，电极位于等离子体发生器和矿物基质之间，使得等离子体从等离子体发生器流出，经过电极并到达矿物基质。在这种情况下，单个等离子体发生器可以用于向多个电极供应等离子体。

21、可选地，脉冲功率钻孔工具进一步包括至少一个屏蔽构件，该屏蔽构件被配置用于防止由脉冲功率发生器产生的高压电流脉冲穿过所产生的等离子体到达至少一个等离子体发生器。这样的一个或多个屏蔽构件可以例如被提供在等离子体发生器的绝缘外壳中，在该绝缘外壳中提供有用于使等离子体从等离子体发生器流到电极一个或多个导管。一个或多个屏蔽构件可以例如包括提供在限定导管的绝缘外壳的内壁中的一系列波纹或其他表面结构，这些波纹或表面结构防止高压电流脉冲通过等离子体“向后”行进。

22、可选地，脉冲功率钻孔工具进一步包括流体供应系统，用于将屏蔽流体供应到钻头和矿物基质之间的区域。屏蔽流体可以是可以用于将一个或多个电离流体容积彼此屏蔽并且/或与一个或多个其它电极的一个或多个固体电极部分屏蔽的任何流体。屏蔽流体可以优选地是不同于电离流体容积的流体的流体。屏蔽流体可以例如是冲洗液体，诸如水，其通常在钻孔操作期间供应。

23、可选地，钻头包括相对于至少第一固体电极部分在钻孔工具的轴向方向上突出的至少一个接触构件。接触构件可以布置成在至少第一固体电极部分和矿物基质之间提供合适的距离。它可以是例如固体电极部分或刮刀或另一装置。

24、可选地，钻孔工具包括用于控制至少第一固体电极部分和矿物基质的表面之间的距离的定位装置。定位装置可以例如包括用于测量固体电极部分和矿物基质之间的距离的传感器，以及用于通过调整钻头的位置将距离自动调整至目标值的装置。通常，目标值可以设定为至少1mm、或至少2mm、或至少3mm的距离，并且设定为不超过5cm、或不超过2cm、或不超过1cm的距离。优选地，目标值可以在1-5mm的范围内，诸如2-5mm。目标值可以根据钻孔尺寸、矿物基质的表面粗糙度、电离流体流量和电离流体的特性、电极直径等来设定。理想地，距表面的距离应该被设定成使得至少在高压电流脉冲的脉冲时间内实现稳定的电离流体容积。

25、定位装置可以例如包括用于执行阻抗分析的装置，其中定位装置被配置以自动定位钻头以满足阻抗标准，诸如以实现低于预定阈值的阻抗。

26、可选地，钻头包括布置在电极之间的多个刮刀。在这种情况下，钻孔工具应该可绕钻孔工具的纵向轴线旋转。在没有刮刀的其他实施例中，钻孔工具不需要绕纵向轴线旋转。

27、根据本公开的第二方面，至少主要目的是通过根据权利要求12的用于破碎矿物基质的方法来实现的。该方法通过借助于根据第一方面的脉冲功率钻孔工具使脉冲电流穿过矿物基质来执行的。该方法包括：

28、-定位钻头，使得固体电极部分至少在矿物基质的表面附近，

29、-产生至少一个电离流体容积，

30、-产生高压电流脉冲并使高压电流脉冲从第一电极经由至少一个电离流体容积和矿物基质行进到第二电极。

31、根据钻孔工具的配置，第一固体电极部分可以被定位在矿物基质的表面附近，第二固体电极部分可以被定位在矿物基质的表面附近或与矿物基质的表面接触。

32、可选地，产生至少一个电离流体容积包括电离压缩气体以产生等离子体，该至少一个电离流体容积由等离子体形成。

33、可选地，该方法进一步包括：

34、-至少在将高压电流脉冲从第一电极传递到第二电极的动作期间，将屏蔽流体供应到电极之间的区域。

35、根据第二方面的方法当然可以借助根据第二方面的任何上面描述的实施例的脉冲功率钻孔工具来执行。因此，从上面对钻具的描述看出该方法的进一步的优点和有利特征。

36、本公开还涉及根据第一方面的脉冲功率钻孔工具用于破碎矿物基质的用途，诸如在凿岩、混凝土加工、矿物加工和连续采矿中的任何一种中的用途。

37、本公开的其他优点和有利特征在以下描述和从属权利要求中公开。