CN102216552B - 钻孔装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在岩层中钻孔的液压“孔内”(DTH)冲击钻孔装置。已知的DTH钻孔装置在耦合和分离诸如钻杆的部件期间的液压流体损耗方面，效率较低；并且机械效率并不是最为理想。本发明的装置包括液压动力锤，其包括活塞，以撞击钻头；滑阀，以控制活塞的往复运动；以及积聚器，用于液压流体，其定位最接近滑阀。活塞和滑阀定位基本上与锤的移动轴对齐。
Description
相关申请的状态
本发明基于涉及澳大利亚专利申请号No.2008904823提交的临时说明书，所述文献的全部内容在此引入作为参考
技术领域
本发明涉及一种钻孔装置。更特别地，本发明涉及一种用于在岩层上钻孔的液压“孔内”(DTH)冲击钻孔装置。
背景领域
传统地，钻孔进入和通过高强度的岩石是通过冲击钻孔系统最经济地执行的。这些系统归为两类中的一种；或者是冲击机构定位在孔外的系统(顶锤系统)，或者是冲击机构定位在孔内的系统(DTH系统)。钉锤系统需要使用一串冲击钻杆以将力传递至岩石表面。通过运用一系列杆传递冲击波，尤其用于较大的孔尺寸时，形成了对孔深度和/或钻孔精确性、以及可靠性问题上的限制。DTH钻孔通过在孔底部形成冲击波而解决了与钉锤系统相关的问题，其中冲击波直接作用在与岩石接触的钻头上。传统地，这种DTH系统是气动的，其使用压缩空气以将能量传递通过钻杆至孔中以至底部的冲击机构。与液压钉锤钻孔系统相比，尤其在较小孔尺寸和/或深度较浅的情况下，这种钻孔系统通常是能量效率较低和缓慢的。为了结合钉锤和DTH钻孔系统的优点，已经开发了水动力DTH系统。然而，这些系统通过使用非润滑和可能腐蚀性媒介(即水)以将能量传递至冲击机构，引致可靠性和经济限制的存在，因而尚未具有广泛的用途。
EP0233038和US5092411公开了油动的DTH钻孔系统的概念。这两种公开的钻孔系统利用了由夹入专用钻杆侧部的外部液压软管馈送的液压锤。虽然使用油动力锤提高了能效和钻孔的可靠性，在这些文献中公开的设置具有如下的缺点，即当锤在操作时，在孔下的外部软管易于损坏，导致因油损耗和增加的操作成本而产生的非可靠性和降低的效率。操作效率还受到当添加或移除钻杆时再连接液压软管的复杂性而不利地影响。
诸如在US5375670和WO96086332中公开的，已知的油动力钻孔系统油耗的又一原因是在行进进入或离开钻孔期间耦合和拆离杆，其在压力下供油至锤、或者接受来自锤的回油。
诸如在JP06313391中公开的已知液压钻孔系统的又一效率损耗，其是由于在离锤较远处安装的水力积聚器处(其水力积聚器在活塞延伸和回缩的循环期间允许改变的流动需求)，已产生的撞击能量的减少和/或减少的循环速度。
已知液压钻孔系统的又一缺点是，由于锤的单体设计，导致其系统损坏时，制造和替换的成本昂贵。
本发明的一个目的是，解决了前述问题，或者至少向公众提供了有助的选择。
根据仅作为实例给出的随附说明书，本发明的其他方面和优点将变得明显。
所有参考文献，包括在说明书中引用的任何专利或专利申请，在此引入作为参考。未承认任何参考文献构成现有技术。参考文献的讨论陈述了作者宣称的内容，而申请人具有权利挑战所引用文献的精确性和相关性。将清楚理解的是，虽然本文引用了大量现有技术公开物；但是该引用并非承认在澳大利亚或在任何其他国家，这些文献形成本领域公知常识的一部分。
已知的是，在各种权限下，术语“包括”可以理解为排外性或包括性意义。处于本说明书的目的，而非另外注明，术语“包括”引港具有包括性意义——即，将认为其指的是不仅包括其直接引用的已列出部件，还包括其他非指明的部件或元件。当在涉及方法或程序的一个或多个步骤而使用术语“包含”或“包括”时，也将使用这一规则。
发明公开
根据本发明第一方面，提供了一种钻孔装置，包括：
●液压驱动锤，包括：
⊙活塞，以撞击钻头
⊙滑阀，以控制活塞的往复运动；以及
⊙积聚器，用于液压流体
其中
●活塞和滑阀的定位基本上与锤的移动轴成一直线；以及
●积聚器定位靠近滑阀。
出于本说明书的目的，已知的是，术语“滑阀”指的是与液压流体流体相通并且用于操作启动单元的控制阀。
优选地，钻孔装置还包括至少一个钻杆。
优选地，该至少一个钻杆包括：
⊙第一连接阀，用于将钻杆连接至锤的连接阀；以及
⊙第二连接阀，用于将钻杆连接至类似钻杆的第一连接阀或者旋转设备。
优选地，第一连接阀和第二连接阀包括定位最接近相应阀座的至少一个提升阀(poppet)。
优选地，钻头、活塞、滑阀、积聚器和连接阀基本上彼此串联。
优选地，钻头、活塞、滑阀、积聚器和连接阀是经由定位孔和锁定销而彼此连接的模块单元。
优选地，钻杆还包括：
●压力管道，用于从外部容器向滑阀提供加压液压流体；
●回流管道，用于将回流液压流体从滑阀提供回至外部容器；以及
●冲洗管道，用于向钻头提供加压冲洗介质(medium)。
优选地，回流管道是围绕压力管道设置的环。
优选地，冲洗管道是围绕回流管道设置的环。
优选地，冲洗介质是空气。
优选地，锤还包括外壳，其适于可逆地安装至锤上。
根据本发明第二方面，提供了一种使用钻孔装置的方法，所述方法包括如下步骤：
a.由模块单元组装液压动力锤，所述模块单元包括：
●钻头
●活塞
●滑阀，以控制活塞的往复运动；
●积聚器；或者
●连接阀
b.将至少一个钻杆连接至连接阀；以及
c.将旋转设备连接至锤远端的钻杆的一端，所述旋转设备将旋转运动传递至其至少一个钻杆和锤。
优选地，该方法还包括如下步骤：
d.将锤连接至液压反馈系统，其适于沿着其轴线线性移动活塞。
附图简述
根据参考随附附图且仅作为实例给出的下列描述，本发明的其他方面将变得明显，在附图中：
图1示出了本发明的钻孔装置的优选实施例的横截面视图；
图2示出了图1中所示的实施例的锤的横截面视图；
图3示出了图1中所示的实施例的钻杆的第一和第二连接阀的横截面视图；
图4示出了图1中所示实施例的两个相邻钻杆的横截面视图，其中第一和第二连接阀相连接；
图5示出了图1中所示实施例的旋转设备的横截面视图；
图6示出了图1中所示实施例的杆连接阀、积聚器和滑阀，示出了加压液压流体至滑阀的流动通路；
图7示出了图1中所示实施例的杆连接阀、积聚器和滑阀以及锤内的其他排水点，示出了来自滑阀的回流液压流体的流动通路；
图8示出了图1中所示实施例的杆连接阀、积聚器、滑阀和活塞外壳，示出了冲洗介质至钻头的流动通路；
图9示出了图4中所示实施例的两个已连接钻杆的横截面视图以及将加压液压流体流动通路与回流液压流体流动通路分隔开的密封的位置；
图10示出了图4中所示实施例的两个已连接钻杆的横截面视图以及将回流液压流体流动通路和冲洗介质流动通路分隔开的密封的位置；
图11示出了图1中所示实施例的锤的横截面视图，示出了在锤向下移动期间加压液压流体在滑阀和活塞之间的流动通路；
图12示出了图1中所示实施例的锤的横截面视图，示出了在锤向上移动期间加压液压流体在滑阀和活塞之间的流动通路；
图13示出了图1中所示实施例的锤的横截面视图，示出了在锤向下移动期间加压液压流体在滑阀和活塞之间的反馈流动通路；以及
图14示出了图1中所示实施例的锤的横截面视图，示出了在锤向上移动期间加压液压流体在滑阀和活塞之间的反馈流动通路。
实施本发明的最优模式
现在将参考如图1至14中所示的一个优选实施例描述本发明。
为了清楚起见，钻孔装置的各种部件間的流体互连已经在附图中选择性地示出。
图1示出了基本上由箭头(1)所指示的钻孔装置的优选实施例的横截面视图。钻孔装置(1)是用于井下(DTH)钻孔的液压油动装置。该装置包括一系列专用模块部件，其彼此串联。这样，装置(1)具有小体积(low profile)设计，以提供最小直径的锤(2)，以允许在受限的空间中方便地操作装置(1)，并且允许在岩层中钻出较宽范围的孔尺寸。
钻孔装置(1)包括锤(2)、至少一个钻杆(3、4)以及旋转设备(5)。本领域技术人员将意识到，在旋转设备(5)和杆连接阀(10)之间无需任何距离的应用上，钻杆(3、4)可以省略。相反地，可以使用任何数量的钻杆而根据特定应用的需要而延长装置(1)的长度。旋转设备(5)适于连接至马达和齿轮系统(未示出)，而以已知方式将旋转运动施加至旋转设备(5)的心轴(spindle)(5A)和锤(2)和钻杆(3，4)。钻孔系统(1)可以由马达和齿轮系统如箭头A所示地在两个方向上(即顺时针或逆时针)持续旋转。
图2示出了钻孔装置(1)的DTH锤(2)的横截面视图。锤(2)包括钻头(6)；活塞(7)和活塞外壳(7A)，滑阀(8)以及滑阀外壳(8A)，以在液压流体压力下偏压活塞(7)的移动；用于诸如油的液压流体的积聚器，以及杆连接阀(10)。锤(2)的所有部件可以经由定位孔穴和连接销(11)而彼此串联。每个部件内的各个流动通路，经由位于部件接触面的钻孔和密封而与相邻部件的相应流动通路链接。部件都容纳在外部磨损外壳(1A)內。锤(2)的模块化特性通过允许替换各个部件而不是整个锤(2)，而减少了维护成本。
已组装的部件(7至9)经由螺纹而在外壳(1A)的任一端而固定在磨损外壳(1A)内，钻头组件(6)和杆连接阀(10)螺纹连接入其外壳(1A)中。因而，这些内部部件(7至9)由来自这些相对螺纹的力而保持紧密地接触锤(2)的任一端。外壳(1A)可以前后翻转，以向锤(2)提供延长的使用寿命，而免受在钻孔装置(1)的操作期间与岩屑碰撞而引起对外壳(1A)的损害。
钻头(6)经由来自活塞(7)的碰撞，而在约20mm的最大范围内往复运动。钻头(6)的头部(6A)具有扣状部(6B)，其接触岩石并且形成切割表面。可以使用不同长度和直径的范围内的钻头，而以已知方式形成适于不同应用和岩层的不同孔径。
图3分别示出了钻杆(3、4)的各自的第一(17)和第二(18)连接阀的横截面。每个钻杆(3、4)具有内管结构，以提供从旋转设备(5)至锤(2)的流体相通(如果数个钻杆串联连接，那么則经由另一钻杆提供該流体相通)。加压油流动通路(14)将加压油运送至锤(2)的滑阀(8)。回流油管线流动通路(15)将回流油从滑阀(8)运送回至旋转设备(5)。冲洗介质流动通路(12)将通常以加压空气形式的冲洗介质运送至锤(2)。本领域技术人员将意识到，可以使用其他形式的加压冲洗介质，而不脱离本发明的范围，诸如水或二氧化碳。钻杆(3)、(4)的长度可以根据特定应用所需的长度而改变至1.8米以上。
每个钻杆(3、4)在其第一和第二端具有第一(17)和第二(18)连接阀。第一连接阀(17)在加压油流动通路(14)的终点具有弹簧负载提升阀(19)和座(20)，而在回流油流动通路(15)的终点具有弹簧负载母提升阀(21)和座(22)。类似地，连接阀(18)在加压油流动通路(14)的终点具有弹簧负载提升阀(23)和座(24)，而在回流油流动通路(15)的终点具有弹簧负载阴提升阀(25)和座(26)。当插入新钻杆以延伸钻杆线的长度至孔下时或当分解钻杆(3、4)时连接阀(17、18)分离时，将提升阀(19、21、23和25)定位最接近其相应座(20、22、24和26)，可最小化从钻杆的油损。随后的省油是非常显著的，因为该设置将油耗限制至仅耦合和解耦之后的螺纹和密封润滑所需的，显著地节省了成本，并且把对环境的影响减至对绝对最小值。
图4示出了两个相邻钻杆的横截面视图，其中钻杆(4)的第一连接阀(17)连接至钻杆(3)的第二连接阀(18)。通过将杆(4)的侧翼(4A)上的阳螺纹(未示出)啮合至位于侧翼(3A)上的阴螺纹(未示出)，并且相对于杆(3)旋转杆(4)直到两根杆(3、4)的外部侧翼(3A、4A)紧密接触，而使这些阀集合在一起。一旦这些侧翼(3A、4A)接触，如下三个离散的流动通路便会被创建：提升阀(19)邻接提升阀(23)使得提升阀(19和23)升起它们各自的座(20和24)，因而将杆(3)的加压油流动通路(14)连接至杆(4)的相应加压油流动通路(14)。围绕该加压油流动通路(14)的凹槽中的密封27防止油径向地内部泄漏至相邻的回流油流动通路(15)。在围绕回流油流动通路(15)的凹槽中的另一组密封28使得回流油流动通路(15)与冲洗介质流动通路(12)分离。由轻弹簧将环提升阀(25)和提升阀(21)在相同的方向上、即从杆(4)朝向杆(3)偏压至它们各自的座(26和22)上。对于单向(回流)油流动，从杆(3)流至杆(4)的回流油将以流的最小限制，而使这两个提升阀提升它们各自的座，因而将杆(3)的回流油流动通路(15)连接至杆(4)的回流油流动通路(15)。两个杆(3、4)的冲洗介质流动通路(12)经由位于回流油流动通路(15)和每个杆(3、4)的侧翼(3A、4A)之间形成的第二环而彼此连接。
图5示出了旋转设备(5)的特写横截面视图。旋转部分(5A)如箭头A所示连接至马达和齿轮系统，其将旋转力矩施加至旋转部分(5A)和已连接的钻杆(3、4)和锤(2)。位于旋转设备(5)的非旋转部分或外壳(5B)上的一系列三个端口，提供冲洗气体(端口5C)、加压油(端口5D)和从与已连接钻杆(3、4)和锤(2)流体相通的旋转部分(5A)接受回流油(端口5E)。与钻杆(3)的第一连接阀(17)相同的提升阀设置(5F)(如上所述)在旋转设备(5)与钻杆(4)脱离时防止液压油损耗。
杆连接阀(10)连接在钻杆(3)的三个同心流动通路之间(中心＝加压油流动通路(14)，第一环＝回流油流动通路(15)，第二环＝冲洗介质流动通路(12)，如图3中最佳所示)。图6示出了来自杆连接阀(10)的中心的加压油(来自未示出的钻杆(3))，并且经由积聚器流至滑阀(8)。活塞(7)处于活塞外壳(7A)内，并且依次由滑阀(8)而往复驱动。图11示出了加压油从滑阀(8)至活塞(7)以用于向下移动活塞(7)的流动通路(29)。图12示出了来自滑阀(8)的加压油的流动通路30，用于向上移动活塞(7)。参考图11和12，通过滑阀(8)以已知方式在这两种流动状况之间交替，实现了活塞(7)的往复运动。该滑阀(8)振动受控于活塞外壳(7A)内的位置感測端口对(31A、31B和32A、32B)，其当未受活塞(7)的运动覆盖时，使用加压油“反馈”以在相应于向下以及向上活塞(7)移动的两个位置之间移动滑阀(8)。因而，活塞(7)的运动受控在由位置感测端口的定位所设置的固定冲程长度。图13和14分别示出了在锤(2)的向下和向上移动期间从活塞(7)至滑阀(8)的反馈流动通路(33、34)的位置。
图7示出了经由积聚器(9)通过杆连接阀(10)而从滑阀(8)流出并且返回钻杆(3)的回流油流动通路(15)的回流油流动通路。这样，将钻孔装置(1)运转期间流至滑阀(8)的油压的改变最小化，以提升钻孔效率和速度。与钻杆(4)的第一连接阀(18)相同的提升阀设置(16)在锤(2)与钻杆(3)(未示出)脱离时防止液压油损耗。图8示出了从冲洗介质流动通路(12)下至活塞外壳(7A)顶部的冲洗介质通路。随后冲洗介质通过活塞(7)和钻头(6)，通过这些部件的纵向通道(13)，并且在钻头表面流出而冲洗钻头(6)附近的岩屑。
本领域技术人员将意识到，可以使用流动通路(12、14和15)的其他内部设置，而不脱离本发明的范围。
在使用中，通过下列方法步骤组装用于钻孔的钻孔装置(1)：
●组装液压动力锤(2)，包括：
⊙钻头(6)
⊙活塞(7)
⊙滑阀(8)，以控制活塞(7)的往复运动；
⊙积聚器(9)；以及
⊙杆连接阀(10)。
●将至少一个钻杆(3、4)连接至杆连接阀(10)；
●将旋转设备(5)连接至锤(2)远端的至少一个钻杆(3、4)的一端；
●将液压流体源、液压流体池和冲洗介质源连接至旋转设备(5)；
●将马达和齿轮系统连接至锤(2)远端的旋转设备(5)的一端，所述马达将旋转移动施加至旋转设备(5)、至少一个钻杆(3、4)和锤(2)；以及
●将锤(2)连接至适于沿着其轴线线性移动活塞的液压反馈系统(31A、31B、32A、32B、33和34)。
通过使用液压反馈系统(31A、31B、32A、32B、33和34)和施加至旋转设备(5)的端口(5D)的50-200巴(bar)(根据岩层)的液压而使得钻头(6B)接触岩石表面，开始钻孔。一旦穿刺开始，马达和齿轮系统(未示出)以50-150RPM(根据孔尺寸和岩层)旋转整个装置，而液压反馈系统(31A、31B、32A、32B、33和34)施加2-20kN(根据岩层)的进给力，将装置推进至已钻的孔中。一旦已经到达推进的极限，通过从端口(5D)移除压力供给，停止钻孔。如需要进一步推进，可以从上一钻杆的第二连接阀(18)上旋松旋转设备(5)，并且添加附加钻杆。随后，通过施加与如上所述相同的步骤，重新开始钻孔。
实例1
通过以1米/分钟的穿刺速度在硬石灰石中钻直径为105mm的孔，已经试验了装置1。证明了可靠的钻孔，且具有最小的液压油损耗。
实例2
在装置1的标准版本上的测试示出了油耗通常低至每次连接/断开0.008升(或者根据使用而每天15升)。
因而，本发明的优选实施例可以具有优于现有技术的大量优点，其可以包括：
●通过具有最小油耗的有效油再循环，而减少运行成本，以提高的燃料效率，并且减少对环境的影响；
●在运行循环期间，通过加快因应油压的改变的响应时间來提高的机械效率，以更快地钻孔以穿刺岩层；
●防止油受到钻孔碎屑(切割)的故障污染防护；
●防止切割受到油的故障污染保护(在矿物采样应用中是重要的)；
●通过延长的使用寿命，以及因此减少的维修成本提高的可靠性(此为模块化设计以及可逆钻外壳的结果)；以及
●因模块化设计，导致相对低的制造成本。
本文已经仅以实例描述了本发明的各方面，并且应当意识到，可以对其进行修改和添加，而不脱离随附权利要求中所限定的范围。
Claims (11)
1.一种钻孔装置，包括：
液压驱动锤，包括：
活塞，以撞击钻头
滑阀，以控制活塞的往复运动；以及
积聚器，用于液压流体；
至少一个钻杆，包括：
第一连接阀，用于将钻杆连接至锤的连接阀；以及
第二连接阀，用于将钻杆连接至类似钻杆的第一连接阀或者旋转设备；
其中
活塞和滑阀定位基本上与锤的移动轴成一直线；以及
积聚器定位靠近滑阀；和
第一连接阀和第二连接阀包括定位在液压流体回流管道中最接近相应阀座的至少一个提升阀，其中该至少一个提升阀被偏压到其相应的阀座以阻止回流液压流体反向流动通过第一和第二连接阀，同时允许回流液压流体前向流动通过第一和第二连接阀。
2.根据权利要求1所述的钻孔装置，其中钻头、活塞、滑阀、积聚器和连接阀基本上彼此串联。
3.根据权利要求2中所述的钻孔装置，其中钻头、活塞、滑阀、积聚器和连接阀是经由定位孔和经由锁定销而与相邻的连接的部件连接的模块单元。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的钻孔装置，其中第二连接阀包括内连接阀密封和外连接阀密封，所述内连接阀密封和外连接阀密封分别配置成阻止液压流体从压力管道和回流管道的内泄漏。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的钻孔装置，其中钻杆还包括：
压力管道，用于从外部容器向滑阀提供加压液压流体；
回流管道，用于将回流液压流体从滑阀提供回至外部容器；以及
冲洗管道，用于向钻头提供加压冲洗介质。
6.根据权利要求5中所述的钻孔装置，其中回流管道是围绕压力管道设置的环。
7.根据权利要求5中所述的钻孔装置，其中冲洗管道是围绕回流管道设置的环。
8.根据权利要求5所述的钻孔装置，其中冲洗介质是空气。
9.根据权利要求1所述的钻孔装置，其中锤还包括外壳，其适于可逆地安装至锤上使得外壳的任一端都能够连接至锤。
10.一种使用钻孔装置的方法，所述方法包括如下步骤：
a.由模块单元组装液压动力锤，所述模块单元包括：
钻头
活塞
滑阀，以控制活塞的往复运动；
积聚器；
锤的连接阀；
b.将至少一个钻杆连接至锤的连接阀，所述钻杆包括：
第一连接阀，包括靠近相应阀座定位的至少一个提升阀，用于将钻杆连接至锤的连接阀；以及
第二连接阀，包括靠近另一相应阀座定位的至少一个提升阀，用于将锤连接至类似钻杆的第一连接阀或者旋转设备；以及
c.将旋转设备连接至钻杆的第二连接阀，所述旋转设备将旋转运动传递至至少一个钻杆和锤；
其中第一连接阀和第二连接阀的每一个包括定位在液压流体回流管道中最接近相应阀座的至少一个提升阀，其中该至少一个提升阀被偏压到其相应的阀座以阻止回流液压流体反向流动通过第一和第二连接阀，同时允许回流液压流体前向流动通过第一和第二连接阀。
11.根据权利要求10所述的使用钻孔装置的方法，其中该方法还包括如下步骤：
d.将所述钻孔装置连接至液压反馈系统，其适于沿着钻孔装置的轴线线性移动所述钻孔装置。
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