CN101198763A - 钻岩机和破碎岩石的方法 - Google Patents

Abstract

一种破碎岩石的方法，包括如下步骤：利用钻杆(18)在岩石中钻孔；将钻杆留在孔中；利用水流将推进剂装料(40)通过钻杆(18)中的通道(116)而导入孔内；以及在钻杆的引导端处，至少利用提供填塞功能的孔和通道中的水和钻杆，点燃推进剂装料。

Description

钻岩机和破碎岩石的方法

技术领域

本发明总体涉及破碎岩石。更具体地，本发明涉及可以基本连续执行的破碎岩石系统。

发明内容

首先，本发明提供一种破碎岩石的方法，其包括如下步骤：在岩石中钻孔，将推进剂装料导入孔内，将填塞介质引入孔内，和点燃推进剂装料。

推进剂装料可通过管道而被导入孔内。优选地，孔由钻杆钻凿出来，推进剂装料通过钻杆中的通道而导入孔内。

方法可包括如下步骤，将水泵入孔内，从而提供填塞介质。水可在推进剂装料之前或者在推进剂装料之后，或者基本上与推进剂装料一起引入孔内。然而。另外地，如果使用管道和钻杆的话，则它们还将有助于填塞效果。

推进剂装料可利用任何适当的介质导入孔内，但是优选地利用处于压力下的水将推进剂装料导入孔内。

可通过利用任何合适的机构，将推进剂装料加速进入孔内而点燃推进剂装料。然而，优选地，利用高压水来将推进剂装料加速进入孔内。

推进剂装料可由位于孔或钻杆的内部的点火装置点燃。优选地，点火装置由位于钻杆内部的、或者联接至钻杆的钻头上的点火设备构成。

当推进剂装料在钻杆内部时，可在钻杆引导端处点燃(引爆)推进剂装料，或者当推进剂装料在钻杆外部时，例如在钻出的孔的封闭端的相对表面和钻头的相对引导表面之间的一个位置处，可点燃推进剂装料。在后一种情况中，可通过引发压敏底火而实现点火。

另一种可能是：通过使装料以足够高的速度从钻杆射出而点燃装料，以便携带底火的弹药筒的引导端，以及可选地与底火相接触的小冲击传递构件，冲击与钻杆的排出端(即孔的封闭端)相对的岩石表面。这种布置使得在钻杆的外部点燃弹药筒。

然而，优选地，基本上在钻杆和钻头之间的接合处点燃推进剂装料。

本发明还涉及一种破碎岩石的方法，其包括如下步骤：

a)利用钻杆在岩石中钻孔；

b)将钻杆留在孔中；

c)利用水流，将推进剂装料通过钻杆中的通道导入孔内；和

d)在钻杆的引导端处，至少利用提供填塞功能的孔和通道中的水和钻杆点燃推进剂装料。

本发明还涉及一种钻岩机，其包括：钻杆；联接至钻杆的钻头；连接至通道的弹药筒供给管路，该通道延伸通过钻杆到达钻头；用于将推进剂弹药筒装入供给管路内的弹匣；和用于沿着通道引导弹药筒的加压水源。

钻岩机可包括用于在钻头处或者钻头附近点燃推进剂弹药筒的引发装置。

弹药筒可包括底火帽，底火帽接触引发装置，从而点燃推进剂。

钻头可包括从通道朝向钻头的一侧延伸的至少一个沟槽。沟槽朝着由钻头钻出的孔的封闭端引导通过点燃推进剂而生产的压力波，从而使岩石产生裂缝。

加压水可以以足够高的速度从通道推动弹药筒，从而使得弹药筒冲击孔的孔壁，以及在冲击之后引发弹药筒。

本发明还提供一种破碎岩石的弹药筒，其包括由易碎材料制成的包壳，位于包壳内部的推进剂装料，在包壳的引导端处的底火帽，和在包壳的尾端处的密封件。

可通过由诸如聚苯乙烯、泡沫橡胶等的合适的柔性材料制成的密封构件，或者通过位于包壳的尾端处的柔性扩大裙边或凸缘，或者采用任何其它的适当方法，提供密封件。

如所知地，包壳由易碎材料制成。这种材料应该相当的脆，而且是在引发推进剂之后破碎成大量的小部分的类型。如果存在碎片的话，则这种破碎特征将能够使碎片在点燃推进剂之后通过钻杆或钻头中的通道而被冲出。

附图说明

通过参考附图的示例进一步描述本发明，其中：

图1表示在地下挖掘中使用本发明方法的钻机；

图2示出供本发明方法使用的弹药筒的结构的一种可能形式；

图3是表示用于本发明方法的柄锁和弹匣的结构的横截面的放大视图；

图4示出弹药筒供给管路布置的结构的横截面，和

图5和6表示供本发明使用的钻头设备的变型。

具体实施方式

附图中的图1表示处于地下挖掘12中的钻机10。位于适当安装的组件16上的钻岩机14安装至钻机10。部件10，14和16基本上为常规的，因此在下文中不对其进行详细描述。

钻杆18安装至钻岩机，并在钻杆的引导端携带有钻头20。

这种设备用于在岩壁22内钻孔。图1示出单个孔24。

钻机具有操作室或操作平台28。弹药筒供给管路30从这个平台上的合适位置延伸至安装至钻岩机14的弹匣32。

图2表示供本发明的破碎岩石方法使用的弹药筒36的结构的一种形式。弹药筒包括包壳38，该包壳38由例如硬塑性材料的脆性材料制成，且包括推进剂装料40。装料为本领域已知类型的能量物质，当装料被引发时，它产生没有爆炸效果的高能气体和蒸汽。

包壳38具有引导端42，且底火帽44居中地设置在该引导端42处。盖子48在尾端46处与包壳相接合，从而以水密的方式将装料保持在包壳内部。在本发明的这个示例中，尾端46径向向外张开，从而提供密封件50，该密封件50与包壳38成整体并作用在周围表面上，如下文所述。作为密封件50的替代，或者除了密封件外，由诸如泡沫橡胶或聚苯乙烯等的合适弹性材料制成的圆盘52可在尾端处与盖子48相接合，从而当弹药筒通过供给管路时，用于为弹药筒形成密封件，如下文所述。

图3示出弹匣32的横截面。弹匣包括壳体60，孔62延伸通过该壳体60，具有以已知方式可与钻岩机14相接合的常规花键构造66的钻柄64定位于该孔62中。钻柄64被支承在轴承68上，并且通过密封件70保护。

钻柄64在一侧上形成有通向居中设置的通道74的开口72，在钻柄与开口72相对的外侧上形成有浅槽或扁平构造76。

连接至壳体60的供给管路30分别与大通道78和两个分支通道80和82相连通。活塞84被安装，为在孔86的内部往复运动。弹簧88作用在壳体和活塞之间。活塞分别携带有两个弹簧加载的止回阀90和92。

辅助水供给管路94连接至壳体60，用以控制活塞96在孔98内部的操作，该孔98基本上与孔86相对。弹簧100作用在活塞96和壳体之间。

在钻机10中的平台28处，供给管路30终止在供给箱102(图4所示)中，该供给箱102连接至以下部件：高压高流动水的管路104，限制压力和限制流动水的管路106，和锁定装置108。

控制阀110和112被分别设置在管路104和106中，用以将水控制为通过管路流入供给箱中的中心孔114。控制阀110和112设置在钻机操作室中的操作员可容易接触到的位置处。

图5表示联接至钻杆18的引导端的钻头20的放大比例的视图。通道116居中地延伸通过钻杆，并且与钻头中的通道118相连通。钻头通道在钻头的引导端124和钻头的侧面126的接合处基本上分叉为两个或三个斜流沟槽120，斜流沟槽120从通道118朝着钻头的末端122径向发散。

在实现本发明的方法中，操作员控制钻机，在岩壁中钻出孔24。孔可钻凿至合适的深度，例如在1200mm和1500mm之间，并具有适当的直径，例如大约100mm。将钻杆18留在该孔中，且钻头20设置在孔的封闭端130的附近，如图5所示。

然后，操作员取出图2所示类型的推进剂弹药筒36，并将该弹药筒装入供给管路30内。这通过将锁定装置108从供给箱移开以及将弹药筒放入中心孔114内而完成。借助于柔性推杆，或者简单地通过关闭锁定装置并在控制阀112的控制下，允许低压水的限制流动，从而沿着供给管路30，通过弹匣供给弹药筒。然而，可以使本过程自动化。

使图3所示钻柄64缓慢地旋转，使槽76与活塞96对齐。此时，将水通过管道94引入孔98内，且活塞96移动为与钻柄上的槽76相接合。弹簧100用于在解除了起作用水压力之后将活塞拉回。

弹药筒36在水压力下从供给管路30的排出端、通过通道78并且移动至孔86内。弹药筒最初阻挡或严密地限制水从通道78流入孔内。但是，分支通道80和82打开，且有少量的水流过这些通道。弹簧88最初将活塞84保持在图3所示的位置中。

然后，操作员加大水流。通道82较小，且仅能够限制水流。然而，水压力通过分支通道80而施加至活塞84的上端，然后活塞84在孔86内部朝着钻柄64移动，，并且活塞将弹药筒移向开口72。

一旦活塞通过通道78的排出端，则主水流加大。两个弹簧加载止回阀90和92让水流入钻柄内，然后，沿钻杆18推动现在处于通道74中的弹药筒。

止回阀90和92防止水沿反方向流动。弹簧86在弹药筒已被引爆之后以及在已切断水流之后将活塞拉回(如下文所述)。

通过钻杆18的水流速相当得高，并且推进剂弹药筒沿通道116被加速至至少3m/s。如图5所示，弹药筒36最终到达形成有引发装置或点火装置或构造134的钻头20内部的一个位置。这个构造134设置为：使得当弹药筒到达构造134时，底火帽44在弹药筒的引导端42处与这个构造突然接触。该构造134例如可以通过流动沟槽120的接合而形成。

当底火撞击点火撞针时，点燃位于包壳38内部的推进剂40。通道116内部的水以及钻杆和孔24的相对表面之间的水为弹药筒提供了良好的填塞作用。

使弹药筒沿着通道中加速所需的高压水以任何合适的方法提供，但是高压水优选地来自于蓄能器。根据蓄能器的尺寸，推进剂弹药筒后面的压力可能在10mPa的范围内。爆炸压力仅花费10ms即增大至400mPa。高速水子弹(slug)有效地通过钻杆中的通道116。由于压力达到最高的爆炸峰值，故水不能停止和沿反方向流动。这种来自引入水内的爆炸弹药筒的突然的、非常高的压力脉冲作用在各个方向上。高压脉冲通过钻头在钻头的周围且沿钻杆的外表面传播至钻头的前部。弹药筒的爆炸产生反冲击和反冲力。冲击波与推进剂粉末的燃烧速度有关，而反冲力与弹药筒中的推进剂的量和岩石的性质有关。

图6示出本发明的稍微不同的一种形式。钻头20A形成有通道118A，该通道118A延伸通过钻头到达至钻头引导端124A。因此，通过通道116加速的弹药筒36能够离开钻头并进入引导端124A和孔的封闭端130之间的容积136。可以例如通过利用高压水脉冲来点燃弹药筒36，以产生使岩石破碎的高能材料。如前面一样，孔24中的水以及钻杆的周围和内部的水提供了有效的填塞作用，有助于最优化点燃的推进剂的效果。

钻头、钻杆、钻柄、钻岩机、钻头进给和钻凿吊杆结构的质量对反冲力进行缓冲。

通常，适合于供这类应用使用的钻岩机为液压操作的。使用往复式活塞，来用于在钻凿期间冲击钻钢。钻头上的液压油管路连接至用于对往复动作所引起的压力峰值进行缓冲的充氮蓄能器。通过钻岩机上的阀设备来控制冲击作用。

活塞和蓄能器可用作反冲力的附加缓冲。控制阀可以保持打开，以便使得液压油路中的压力将活塞推靠在钻柄上。然后，反冲力迫使活塞倒退，且来自活塞后面的油将流向油路和蓄能器。

推进剂弹药筒36应当优选为制成为标准尺寸，但是也可以根据需要而装载不同量的推进剂。例如100g的推进剂对于非常重的子弹将足够了，而对于更小的子弹，更少的量，例如50g或75g将足够了。

应注意的是，弹药筒包壳的材料应是脆性的，以便使得材料在爆炸之后破碎为小碎片。在爆炸之后，在钻凿第二个孔时，水将从孔中冲洗掉岩屑。

当弹药筒到达钻头时，可以以所述方式，即通过机械作用，点燃底火帽。或者，底火帽可以是能够利用供给水产生的高压脉冲来激活的压敏装置。然而，这是一种较次优选的方法。

弹药筒可以自动地直接从直通道116射出，以便使得携带底火的弹药筒的引导端冲击孔24的孔壁。这个作用力对引发底火是足够高的，因此点燃弹药筒。

采用本发明的这种形式，可以选择性地将小的冲击传递装置联接至弹药筒的引导端。这种冲击传递装置冲击孔的孔壁，并将冲击力传递至底火，从而引发底火，以点燃弹药筒中的能量物质。

另一种可能是：例如在弹药筒的壳体的侧面或者后部上，将底火以如下方式安装至弹药筒，即当底火接触引发底火的钻头的一部分时，弹药筒从钻头突出。

从上述清楚的是，当弹药筒整体在钻杆/钻头的外部时，或者当弹药筒部分地在钻杆/钻头的内部，而部分地在钻杆/钻头的外部时，可以点燃弹药筒，同时弹药筒整体在钻杆/钻头的内部。

在本发明的方法中，水被用于将推进剂弹药筒供给至孔内，以及用于提供非常有效的填塞作用。通过利用高压水以及快速地执行破碎过程，岩石中的裂纹在爆炸之前就被充满。因此，爆炸所释放的高压气体不会喷出，而是爆炸压力峰值传递至裂纹，从而增强岩石破碎效果。

爆炸中的水不会构成安全性危险。孔中的水的量在爆炸期间非常少，而在爆炸波之后，当爆炸的压力从大约400mPa降至大气压力时，水基本上瞬时蒸发。

明显的是，由于在孔中利用水和钻杆填塞爆炸以及通过钻岩机阻挡爆炸，故非常有效地利用了弹药筒的岩石破碎能力。优选地是，采用所述方式使用钻杆，但是，通过从孔24中移出钻杆，然后利用定制的管道(未示出)来将弹药筒装入孔内，可实现与所述效果基本上相似的效果。然而，这种方法更加繁琐和耗时。

在已钻凿了孔24之后，立刻进行岩石碎裂。因此，对于实际目的，钻凿和碎裂是连续的过程。

由于推进剂爆炸不会产生毒性气体以及不需要特殊的通风设备，故岩石破碎系统是安全的，且对环境无害。过程中使用的水爆炸变为蒸汽，并有助于抑制粉尘。

Claims (22)

1.一种破碎岩石的方法，其包括如下步骤：在所述岩石中钻孔，将推进剂装料导入所述孔内，将填塞介质引入所述孔内，和点燃所述推进剂装料。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述推进剂装料通过管道而被导入所述孔内。

3.如权利要求2所述的方法，其中，当点燃所述推进剂装料时，所述管道留在所述孔中。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述孔由钻杆钻凿出来，所述推进剂装料通过所述钻杆中的通道而被导入所述孔内。

5.如权利要求4所述的方法，其中，当点燃所述推进剂装料时，所述钻杆留在所述孔中。

6.如权利要求1所述的方法，包括以下步骤：将水泵入所述孔内，从而提供所述填塞介质。

7.如权利要求1所述的方法，其中，利用水将所述推进剂装料导入所述孔内。

8.如权利要求1所述的方法，其中，填塞介质是水，水被引入所述孔内并同时用于将所述推进剂装料导入所述孔内。

9.如权利要求1所述的方法，其中，通过利用高压水，将所述推进剂装料加速进入所述孔内而点燃所述推进剂装料。

10.如权利要求9所述的方法，其中，通过所述孔内部的点火装置来点燃所述推进剂装料。

11.如权利要求9所述的方法，其中，通过使所述推进剂装料冲击所述孔的孔壁而点燃所述推进剂装料。

12.如权利要求4所述的方法，其中，利用通过所述通道的水流，将所述推进剂装料引导通过所述通道。

13.如权利要求4所述的方法，其中，在所述推进剂装料位于所述通道内部的同时点燃所述推进剂装料。

14.如权利要求4所述的方法，其中，当所述推进剂装料部分在所述通道的内部，且部分在所述通道的外部时，点燃所述推进剂装料。

15.如权利要求4所述的方法，其中，在所述通道的外部点燃所述推进剂装料。

16.如权利要求15所述的方法，其中，通过使所述推进剂装料冲击所述孔的孔壁而点燃所述推进剂装料。

17.一种破碎岩石的方法，包括如下步骤：

a)利用钻杆在岩石中钻孔；

b)将所述钻杆留在所述孔中；

c)利用水流，使推进剂装料通过所述钻杆中的通道而导入所述孔内；和

d)在所述钻杆的引导端处，至少利用提供填塞功能的所述孔和通道中的水和所述钻杆来点燃所述推进剂装料。

18.一种钻岩机，包括：钻杆；联接至所述钻杆的钻头；连接至通道的弹药供给管路，该通道延伸通过所述钻杆到达所述钻头；用于将推进剂弹药筒装入所述供给管路内的弹匣；和用于从所述供给管路沿着所述通道引导所述弹药筒的加压水源。

19.如权利要求18所述的钻岩机，包括用于在所述钻头处或者钻头附近点燃推进剂的引发装置。

20.如权利要求18所述的钻岩机，其中，所述弹药筒包括底火帽，该底火帽接触所述引发装置，用以点燃推进剂。

21.如权利要求20所述的钻岩机，其中，所述钻头包括从所述通道朝向所述钻头的一侧延伸的至少一个沟槽。

22.一种破碎岩石的弹药筒，包括由易碎材料制成的包壳，位于所述包壳内部的推进剂装料，在所述包壳的引导端处的底火帽，和在所述包壳的尾端处的密封件。

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