一種在凍土中快速成孔設備及其施工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種在凍土中快速成孔設備及其施工方法，為提高鉆進速度而發(fā)明。一種在凍土中快速成孔設備，包括鉆桿和鉆頭，所述鉆桿和鉆頭內部設置有貫穿的輸氮孔，鉆頭處設有液氮出口，鉆桿后端連接有供液管，供液管與液氮貯罐相連。本發(fā)明還公開了一種在凍土中快速成孔的施工方法，包括如下步驟：將鉆桿伸入已預先凍結好的鉆孔中；通過供液管將液氮貯罐中的液氮輸入到固定在鉆桿底端的鉆頭處，對鉆頭進行預冷；預冷結束后，開啟鉆機，鉆機帶動鉆桿做旋轉沖擊動作，鉆桿帶動固定在鉆桿底端的鉆頭旋轉沖擊進行鉆孔作業(yè)；在鉆孔作業(yè)過程中，液氮貯罐中的液氮流經供液管、鉆桿內部的輸氮孔，鉆頭內部通道后，從鉆頭處的液氮出口流出。本發(fā)明適用于凍結孔中采用鉆頭進行鉆孔作業(yè)。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及礦山建設領域，特別是深厚表土層立井井筒凍結法施工過程中，快速 在凍土中進行鉆爆法作業(yè)的方法，具體為一種在凍土中快速成孔設備及其施工方法。 一種在凍土中快速成孔設備及其施工方法
【背景技術】
[0002] 礦山井筒凍結法鑿井過程中，由于井筒被凍實，導致機械開挖困難，需要采用鉆爆 法作業(yè)。采用鉆爆法作業(yè)時，首先需要進行鉆孔作業(yè)。鉆孔過程中面臨的問題沖擊鉆頭被 融化的土（變成泥）包裹住，即泥包鉆頭，無法繼續(xù)沖擊鉆孔，導致鉆眼速度慢。
【發(fā)明內容】
[0003] 針對上面的問題，本發(fā)明提供了一種在凍土中快速成孔設備及其施工方法，能夠 減少泥包鉆頭的現(xiàn)象，提1?鉆孔的速度。
[0004] 一方面，本發(fā)明實施例提供一種在凍土中快速成孔設備，包括鉆桿和鉆頭，所述鉆 桿和鉆頭內部設置有貫穿的輸氮孔，鉆頭處設有液氮出口，鉆桿后端連接有供液管，供液管 與液氮貯罐相連。
[0005] 可選的，所述鉆頭處的液氮出口開設在所述鉆頭的側壁上。
[0006] 可選的，在所述鉆頭內部設有供液氮繞行的通道，所述繞行通道一端與所述鉆桿 內部的輸氮孔相連通，另一端開口于所述鉆頭的背面。
[0007] 可選的，在所述鉆頭內或所述鉆桿與所述鉆頭的連接處設有一密閉腔，在所述密 閉腔中設有溫度傳感器，所述溫度傳感器通過金屬減震彈簧固定在所述密閉腔內。
[0008] 可選的，所述供液管與液氮貯罐之間設有流量調節(jié)閥，所述流量調節(jié)閥與流量調 節(jié)閥的自動控制裝置相連，所述溫度傳感器也與所述流量調節(jié)閥的自動控制裝置相連，所 述流量調節(jié)閥的自動控制裝置根據所述溫度傳感器反饋的溫度，通過調節(jié)所述流量調節(jié)閥 來調節(jié)輸入所述鉆桿內部輸氮孔中的液氮的流量大小。
[0009] 可選的，所述供液管外部采用聚乙烯保溫材料包扎。
[0010] 本發(fā)明在凍土中快速成孔設備，鉆桿和鉆頭內部設置有貫穿的輸氮孔，鉆頭處設 有液氣出口，鉆桿后端連接有供液管，供液管與液氣It罐相連。這樣在鉆孔作業(yè)時能夠將液 氮貯罐中所儲存的液氮經鉆桿和鉆頭內部設置有貫穿的輸氮孔，輸送至鉆頭處，通過液氮 對鉆頭進行冷卻，從而防止鉆頭在沖擊作業(yè)過程中產生熱量導致所要進行鉆孔作業(yè)的凍土 融化形成泥漿，相應地也就能夠減少泥包鉆頭的現(xiàn)象發(fā)生，提高鉆孔作業(yè)的速度。
[0011] 另一方面，本發(fā)明還公開了一種在凍土中快速成孔的施工方法，包括如下步驟：將 鉆桿伸入已在預先凍結好的凍土中形成的鉆孔中；通過供液管將液氮貯罐中的液氮輸入到 固定在鉆桿底端的鉆頭處，對鉆頭進行預冷；預冷結束后，開啟鉆機，鉆機帶動鉆桿做旋轉 沖擊動作，鉆桿帶動固定在鉆桿底端的鉆頭旋轉沖擊進行鉆孔作業(yè)；
[0012] 在鉆孔作業(yè)過程中，液氮貯罐中的液氮流經供液管、鉆桿內部的輸氮孔，鉆頭內部 通道后，從鉆頭處的液氮出口流出。
[0013] 可選的，在鉆桿帶動固定在鉆桿底端的鉆頭轉動進行鉆孔作業(yè)的過程中，探測鉆 頭的溫度；將探測到的鉆頭的溫度反饋給液氮流量控制裝置，液氮流量控制裝置根據探測 到的鉆頭的溫度調整輸入到鉆頭處的液氮的流量，使得鉆頭的溫度控制在-30°c到+30°C 之間。
[0014] 可選的，在鉆孔作業(yè)過程中，液氮貯罐中的液氮流經供液管、鉆桿內部的輸氮孔， 鉆頭內部通道后，從鉆頭處的液氮出口流出并沿著已鉆好的凍結孔的內壁揮發(fā)，在揮發(fā)的 同時對已鉆好的凍結孔的內壁進行再次凍結。
[0015] 本發(fā)明在凍土中快速成孔的施工方法，通過液氮對鉆頭進行冷卻，從而防止鉆頭 在沖擊作業(yè)過程中產生熱量導致所要進行鉆孔作業(yè)的凍土融化形成泥漿，相應地也就能夠 減少泥包鉆頭的現(xiàn)象發(fā)生，提高鉆孔作業(yè)的速度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其它的附圖。
[0017] 圖1為本發(fā)明在凍土中快速成孔設備使用時的結構示意圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明在凍土中快速成孔設備中鉆頭部分的剖視圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明在凍土中快速成孔設備中鉆頭部分的俯視圖。
[0020] 圖中，1_鉆桿；11_輸氣孔；2_鉆頭；21_通道；3_凍土；4_凍結孔；5_凍土顆粒； 6_液氮出口；7-液氮貯罐；8-供液管；81-流量調節(jié)閥；9-密閉腔；91-溫度傳感器。
【具體實施方式】
[0021] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0022] 應當明確，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其 它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0023] 參看圖1，本發(fā)明的在凍土中快速成孔設備實施例，包括鉆桿1和鉆頭2,鉆桿1和 鉆頭2內部設置有貫穿的輸氮孔11，鉆頭2處設有液氮出口，鉆桿1后端連接有供液管，供 液管8與液氮貯罐7相連。
[0024] 本發(fā)明實施例在凍土中快速成孔設備，可用于對預先凍結好的凍結孔31中進行 鉆孔作業(yè)，凍結孔的周圍經過凍結形成有凍土 3。鉆桿和鉆頭內部設置有貫穿的輸氮孔，鉆 頭處設有液氮出口，鉆桿后端連接有供液管，供液管與液氮貯罐相連。這樣在鉆孔作業(yè)時能 夠將液氮貯罐中所儲存的液氮經鉆桿和鉆頭內部設置有貫穿的輸氮孔，輸送至鉆頭處，通 過液氮對鉆頭進行冷卻，從而防止鉆頭在沖擊作業(yè)過程中產生熱量導致所要進行鉆孔作業(yè) 的凍土融化形成泥漿，相應地也就能夠減少泥包鉆頭的現(xiàn)象發(fā)生，提高鉆孔作業(yè)的速度。
[0025] 本發(fā)明在凍土中快速成孔設備一實施例中，所述鉆頭處的液氮出口開設在所述鉆 頭的側壁上，這樣依靠鉆頭周圍的孔壁的阻礙作用，防止液氮從鉆頭中流出過快，在利用液 氮對鉆頭進行冷卻減少泥包鉆頭的現(xiàn)象出現(xiàn)的同時，也能節(jié)省液氮的用量，降低成本。
[0026] 參看圖2,本發(fā)明在凍土中快速成孔設備另一實施例中，在所述鉆頭2內部設有供 液氮繞行的通道21，所述繞行的通道21 -端與所述鉆桿內部的輸氮孔11相連通，另一端開 口于所述鉆頭的背面形成液氮出口 6。所述繞行的通道21 -方面有利于液氮對鉆頭的成分 冷卻，另一方面對液氮的流動起到阻尼作用，防止液氮從鉆頭中流出過快。
[0027] 參看圖3,多個液氮出口 6設置在鉆頭的背面，并繞鉆桿成圓周分布，既能防止液 氮出口 6被凍土顆粒5堵塞，又能夠將液氮均勻地釋放到凍結孔的底端，能更好地降低凍結 孔側壁的溫度，減少液氮的浪費，提高液氮利用率。
[0028] 參看圖2,本發(fā)明在凍土中快速成孔設備又一實施例中，在所述鉆頭2內或所述鉆 桿1與所述鉆頭的連接處設有一密閉腔9,在密閉腔9中設有溫度傳感器91，所述溫度傳感 器91通過金屬減震彈簧固定在所述密閉腔內，減震彈簧能夠減少鉆孔震動對溫度傳感器 的震動破壞。溫度傳感器91能夠及時準確地測量鉆頭的溫度。
[0029] 本發(fā)明在凍土中快速成孔設備又一實施例中，供液管8與液氮貯罐7之間設有流 量調節(jié)閥81，流量調節(jié)閥81與流量調節(jié)閥的自動控制裝置相連，溫度傳感器91也與所述流 量調節(jié)閥的自動控制裝置相連，流量調節(jié)閥的自動控制裝置根據所述溫度傳感器反饋的溫 度，通過調節(jié)所述流量調節(jié)閥來調節(jié)輸入所述鉆桿內部輸氮孔中的液氮的流量大小。在鉆 孔時鉆頭處的溫度過高容易泥包鉆頭，溫度如果過低，那么凍結泥土的硬度就會大大增加， 從而增加鉆孔的難度，容易磨損鉆頭。通過溫度傳感器91將溫度數據及時傳給流量調節(jié)閥 81，就能夠使孔洞底部的溫度控制在一個合適的水平，既能提高鉆孔速度又能防止泥漿產 生導致泥包鉆頭。
[0030] 本發(fā)明在凍土中快速成孔設備一實施例中，所述供液管8外部采用聚乙烯保溫材 料包扎。
[0031] 本發(fā)明實施例還提供一種在凍土中快速成孔的施工方法，包括如下步驟：
[0032] S1、將鉆桿伸入已在預先凍結好的凍土中形成的鉆孔中；
[0033] S2、通過供液管將液氮貯罐中的液氮輸入到固定在鉆桿底端的鉆頭處，對鉆頭進 行預冷；
[0034] S3、預冷結束后，開啟鉆機，鉆機帶動鉆桿做旋轉沖擊動作，鉆桿帶動固定在鉆桿 底端的鉆頭旋轉沖擊進行鉆孔作業(yè)；
[0035] S4、在鉆孔作業(yè)過程中，液氮貯罐中的液氮流經供液管、鉆桿內部的輸氮孔，鉆頭 內部通道優(yōu)選為繞行的通道后，從鉆頭處的液氮出口流出。
[0036] 本發(fā)明在凍土中快速成孔的施工方法，通過液氮對鉆頭進行冷卻，從而防止鉆頭 在沖擊作業(yè)過程中產生熱量導致所要進行鉆孔作業(yè)的凍土融化形成泥漿，相應地也就能夠 減少泥包鉆頭的現(xiàn)象發(fā)生，提高鉆孔作業(yè)的速度。
[0037] 本發(fā)明在凍土中快速成孔的施工方法一實施例中，在鉆桿帶動固定在鉆桿底端的 鉆頭轉動進行鉆孔作業(yè)的過程中，探測鉆頭的溫度；將探測到的鉆頭的溫度反饋給液氮流 量控制裝置，液氮流量控制裝置根據探測到的鉆頭的溫度調整輸入到鉆頭處的液氮的流 量，使得鉆頭的溫度控制在_3〇°C到+30°C之間。
[0038] 在鉆孔時鉆頭處的溫度過高容易泥包鉆頭，溫度如果過低，那么凍結泥土的硬度 就會大大增加，從而增加鉆孔的難度，容易磨損鉆頭。通過溫度傳感器91將溫度數據及時 傳給流量調節(jié)閥81，就能夠使孔洞底部的溫度控制在一個合適的水平，既能提高鉆孔速度 又能防止泥漿產生導致泥包鉆頭。
[0039] 本發(fā)明在凍土中快速成孔的施工方法一實施例中，在鉆孔作業(yè)過程中，液氮貯罐 中的液氮流經供液管、鉆桿內部的輸氮孔，鉆頭內部通道后，從鉆頭處的液氮出口流出并沿 著已鉆好的凍結孔的內壁揮發(fā)，在揮發(fā)的同時對已鉆好的凍結孔的內壁進行再次凍結。這 樣能夠充分提高液氮的利用率。
[0040] 以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何 熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應 涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應以權利要求的保護范圍為準。
【權利要求】
1. 一種在凍土中快速成孔設備，包括鉆桿和鉆頭，其特征在于，所述鉆桿和鉆頭內部 設置有貫穿的輸氮孔，鉆頭處設有液氮出口，鉆桿后端連接有供液管，供液管與液氮貯罐相 連。
2. 根據權利要求1所述的成孔設備，其特征在于，所述鉆頭處的液氮出口開設在所述 鉆頭的側壁上。
3. 根據權利要求1所述的成孔設備，其特征在于，在所述鉆頭內部設有供液氮繞行的 通道，所述繞行通道一端與所述鉆桿內部的輸氮孔相連通，另一端開口于所述鉆頭的背面。
4. 根據權利要求1所述的成孔設備，其特征在于，在所述鉆頭內或所述鉆桿與所述鉆 頭的連接處設有一密閉腔，在所述密閉腔中設有溫度傳感器，所述溫度傳感器通過金屬減 震彈簧固定在所述密閉腔內。
5. 根據權利要求4所述的成孔設備，其特征在于，所述供液管與液氮貯罐之間設有流 量調節(jié)閥，所述流量調節(jié)閥與流量調節(jié)閥的自動控制裝置相連，所述溫度傳感器也與所述 流量調節(jié)閥的自動控制裝置相連，所述流量調節(jié)閥的自動控制裝置根據所述溫度傳感器反 饋的溫度，通過調節(jié)所述流量調節(jié)閥來調節(jié)輸入所述鉆桿內部輸氮孔中的液氮的流量大 小。
6. 根據權利要求1所述的成孔設備，其特征在于，所述供液管外部采用聚乙烯保溫材 料包扎。
7. -種在凍土中快速成孔的施工方法，其特征在于，包括如下步驟： 將鉆桿伸入已在預先凍結好的凍土中形成的鉆孔中； 通過供液管將液氮貯罐中的液氮輸入到固定在鉆桿底端的鉆頭處，對鉆頭進行預冷； 預冷結束后，開啟鉆機，鉆機帶動鉆桿做旋轉沖擊動作，鉆桿帶動固定在鉆桿底端的鉆 頭旋轉沖擊進行鉆孔作業(yè)； 在鉆孔作業(yè)過程中，液氮貯罐中的液氮流經供液管、鉆桿內部的輸氮孔，鉆頭內部通道 后，從鉆頭處的液氮出口流出。
8. 根據權利要求7所述的在凍土中快速成孔的施工方法，其特征在于，在鉆桿帶動固 定在鉆桿底端的鉆頭轉動進行鉆孔作業(yè)的過程中，探測鉆頭的溫度； 將探測到的鉆頭的溫度反饋給液氮流量控制裝置，液氮流量控制裝置根據探測到的鉆 頭的溫度調整輸入到鉆頭處的液氮的流量，使得鉆頭的溫度控制在_30°C到+30°C之間。
9. 根據權利要求8所述的在凍土中快速成孔的施工方法，其特征在于，在鉆孔作業(yè)過 程中，液氮貯罐中的液氮流經供液管、鉆桿內部的輸氮孔，鉆頭內部通道后，從鉆頭處的液 氮出口流出并沿著已鉆好的凍結孔的內壁揮發(fā)，在揮發(fā)的同時對已鉆好的凍結孔的內壁進 行再次凍結。
【文檔編號】E21B10/00GK104110221SQ201410284274
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權日:2014年6月23日
【發(fā)明者】楊仁樹, 楊立云, 張新文 申請人:中國礦業(yè)大學(北京)