基于微波加热和液氮射流的反井钻机刀盘及破岩工艺

本技术涉及岩层钻进的领域，尤其是涉及一种基于微波加热和液氮射流的反井钻机刀盘及破岩工艺。

背景技术：

1、随着我国城市地下空间的不断发展，越来越多高埋深隧道、深部矿山以及地下硐室亟待建设。而同时随着我国隧道、采矿等重大工程不断向深部进行，一系列的通风及运输问题向我们提出了新的挑战，这也势必导致通风竖井、斜井、矿用提升井等需求将急剧上升。然而，深部主要以硬岩为主，这也致使了钻井在施工过程中常面临钻进效率低、刀具磨损严重等问题，频繁的刀具更换极大程度上影响了施工进度和工程支出。

2、因此，亟需提供一种新式的反井钻机刀盘，以克服在深部硬岩钻进中的弊端，提高破岩效率，降低刀具磨损。

技术实现思路

1、为了能够克服在深部硬岩钻进中的弊端，提高破岩效率，降低刀具磨损，本技术提供一种基于微波加热和液氮射流的反井钻机刀盘及破岩工艺。

2、第一方面，本技术提供一种基于微波加热和液氮射流的反井钻机刀盘，采用如下的技术方案：

3、一种基于微波加热和液氮射流的反井钻机刀盘，包括：

4、多组刀盘，呈同轴活动嵌套设置，各组刀盘均能够沿其轴线方向伸缩；

5、多组破岩刀具，分别设置于各组刀盘的作业端面，随各组刀盘依次延伸，能够使多组破岩刀具整体呈类锥形排布；随各组刀盘依次回缩，能够使多组破岩刀具在同一平面内排布。

6、通过采用上述技术方案，在该刀盘作业过程中，首先需要根据岩体强度来合理地选择刀盘钻进模式。当岩体强度相对较低时，可以通过多组刀盘依次回缩至同一平面，使多组破岩刀具在同一平面排布，即采用多组刀盘协同钻进破岩模式。当岩体强度较高时，则可以通过多组刀盘依次延伸，使多组破岩刀具整体呈类锥形排布，即刀盘采用独立钻进破岩模式。在该模式下由于各组刀盘在轴向方向上存在一定距离，因此钻进作业时中心刀盘最先接触掌子面，其他各组刀盘相继以一定的时间差接触掌子面，因此先行的刀盘在破岩后可为后续的刀盘作业提供自由面，进而提高了岩体的可切割性，使得岩体内部进行了应力释放，有利于提高破岩效率，降低刀具磨损。

7、可选的，还包括：

8、多组微波发射管路，设置于各组刀盘的作业端面，用于对岩体表面加热；

9、多组液氮射流喷管，设置于各组刀盘的作业端面，用于对岩体经微波加热后的表面冷却。

10、通过采用上述技术方案：当岩体强度极高时，则可以先利用微波发射管路对岩体表面先进行高温加热，再利用液氮射流喷管对加热后的岩体进行液氮冷却，对岩体进行预致裂，使得岩体内部在微波加热和液氮冷却的作用下产生热应力，促使裂纹扩展，达到改善岩体可切割性，待辅助破岩完成后，再根据致裂后岩体强度选择刀盘钻进破岩模式，即若致裂后岩体强度相对较低则采用协同钻进破岩模式，若致裂后岩体强度相对较高则采用独立钻进破岩模式。克服了在深部硬岩钻进中的弊端，提高破岩效率，降低刀具磨损。

11、可选的，所述微波发射管路与所述液氮射流喷管均沿各刀盘的轴线方向活动伸缩的设置于各刀盘。

12、通过采用上述技术方案，当岩体强度极高时，可以首先将微波发射管路伸出于刀盘，待微波加热完成后将其收回，随即将液氮射流喷管由刀盘伸出进行岩体液氮冷却，待液氮射流作业完成后再将其收回，采用此种方案，一方面能够对微波发射管路与液氮射流喷管保护，一方面也能避免微波加热与液氮喷射时影响到破岩刀具，从而有效防止牙轮滚刀遭受超高温或极低温影响发生异常损坏。

13、可选的，各所述刀盘的作业端面均沿其轴线方向成型有容置槽；

14、所述微波发射管路与所述液氮射流喷管均活动于容置槽；

15、所述容置槽的外侧设置封闭盖，随所述微波发射管路与所述液氮射流喷管回缩至容置槽后，所述封闭盖能够封闭容置槽。

16、通过采用上述技术方案，当需要进行微波加热和液氮冷却时，可以开启封闭盖，将微波发射管路和液氮射流喷管伸出容置槽，进行微波加热和液氮冷却作业，当完成作业后，微波发射管路和液氮射流喷管回缩至容置槽内，然后通过封闭盖封闭容置槽即可，以达到在破岩过程中避免碎石损伤微波发射管路和液氮射流喷管。

17、可选的，相邻所述刀盘的抵触周壁之间分别设置有相互适配的滑槽和滑块，以限制各所述刀盘同步转动。

18、通过采用上述技术方案，作业时，任一刀盘转动，通过相邻刀盘之间的滑块与滑槽配合，均能够使所有刀盘同步转动，以保证刀盘的破岩作业。

19、可选的，还包括：

20、多个伸缩缸，分别固定于相邻刀盘之间，用于相邻刀盘同轴相对运动。

21、通过采用上述技术方案，作业时，通过伸缩缸伸缩，即可带动各刀盘同轴运动，实现相邻刀盘的伸缩作业。

22、可选的，还包括：

23、多个内齿圈，分别同轴的固定于各刀盘的内周壁；

24、多个齿轮，分别转动于各刀盘的下侧，用于与各内齿轮啮合；

25、多个驱动元件，分别固定于各刀盘，用于驱动各齿轮转动或静止。

26、通过采用上述技术方案，当驱动元件带动各齿轮保持静止时，则通过齿轮与齿圈的啮合，能够实现各刀盘的相对静止，即多个刀盘可以保持同步同向转动，而当驱动元件带动齿轮转动时，可以通过齿轮与齿圈的啮合，实现各刀盘异步变速转动，从而满足不同的破岩需求。

27、可选的，所述刀盘的作业端面均成型有溜渣槽；

28、所述溜渣槽由刀盘的轴线方向趋向远离轴线方向倾斜设置。

29、通过采用上述技术方案，采用的溜渣槽，能够在破岩过程中，方便岩体碎屑的排出

30、第二方面，本技术提供一种基于微波加热和液氮射流的反井钻机刀盘的破岩工艺，采用如下的技术方案：

31、一种基于微波加热和液氮射流的反井钻机刀盘的破岩工艺，包括以下步骤：

32、岩体强度测定，根据强度测定结果分设强度区间，分别为低强度、较高强度以及极高强度；

33、当岩体强度处于低强度区间时，多组刀盘依次回缩至同一平面，多组破岩刀具排布于同一平面，采用协同钻进破岩模式；

34、当岩体强度处于较高强度区间时，多组刀盘依次延伸，使多组破岩刀具整体呈类锥形排布，采用独立钻进破岩模式；

35、当岩体强度处于极高强度区间时，先利用微波发射管路对岩体表面先进行高温加热，再利用液氮射流喷管对加热后的岩体进行液氮冷却，对岩体进行预致裂；

36、在对岩体进行预制裂后，再根据致裂后岩体强度重新选择刀盘钻进破岩模式作业。

37、通过采用上述技术方案，首先需要根据岩体强度来合理的选择刀盘钻进模式。当岩体强度处于低强度区间时，通过多组刀盘依次回缩至同一平面，使多组破岩刀具在同一平面排布，即采用多组刀盘协同钻进破岩模式。当岩体强度处于较高强度区间时，通过多组刀盘依次延伸，使多组破岩刀具整体呈类锥形排布，即刀盘采用独立钻进破岩模式。在该模式下由于各组刀盘在轴向方向上存在一定距离，因此钻进作业时中心刀盘最先接触掌子面，其他各组刀盘相继以一定的时间差接触掌子面，因此先行的刀盘在破岩后可为后续的刀盘作业提供自由面，有利于提高破岩效率。当岩体强度处于极高强度区间时，先利用微波发射管路对岩体表面先进行高温加热，再利用液氮射流喷管对加热后的岩体进行液氮冷却，对岩体进行预致裂，使得岩体内部在微波加热和液氮冷却的作用下产生热应力，促使裂纹扩展。待辅助破岩完成后，再根据致裂后岩体强度选择刀盘钻进破岩模式，即若致裂后岩体强度相对较低则采用协同钻进破岩模式，若致裂后岩体强度相对较高则采用独立钻进破岩模式。综上方案，克服了在深部硬岩钻进中的弊端，提高破岩效率，降低刀具磨损。

38、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

39、1.在该刀盘作业过程中，首先需要根据岩体强度来合理的选择刀盘钻进模式。当岩体强度相对较低时，可以通过多组刀盘依次回缩至同一平面，使多组破岩刀具在同一平面排布，即采用多组刀盘协同钻进破岩模式。当岩体强度较高时，则可以通过多组刀盘依次延伸，使多组破岩刀具整体呈类锥形排布，即刀盘采用独立钻进破岩模式。在该模式下由于各组刀盘在轴向方向上存在一定距离，因此钻进作业时中心刀盘最先接触掌子面，其他各组刀盘相继以一定的时间差接触掌子面，因此先行的刀盘在破岩后可为后续的刀盘作业提供自由面，有利于提高破岩效率。当岩体强度极高时，则可以先利用微波发射管路对岩体表面先进行高温加热，再利用液氮射流喷管对加热后的岩体进行液氮冷却，对岩体进行预致裂，使得岩体内部在微波加热和液氮冷却的作用下产生热应力，促使裂纹扩展。待辅助破岩完成后，再根据致裂后岩体强度选择刀盘钻进破岩模式，即若致裂后岩体强度相对较低则采用协同钻进破岩模式，若致裂后岩体强度相对较高则采用独立钻进破岩模式。综上方案，克服了在深部硬岩钻进中的弊端，提高破岩效率，降低刀具磨损；

40、2.当岩体强度极高时，可以首先将微波发射管路伸出于刀盘，待微波加热完成后将其收回，随即将液氮射流喷管由刀盘伸出进行岩体液氮冷却，待液氮射流作业完成后再将其收回，采用此种方案，一方面能够对微波发射管路与液氮射流喷管保护，一方面也能避免微波加热与液氮喷射时影响到破岩刀具，从而有效防止牙轮滚刀遭受超高温或极低温影响发生异常损坏。