CN104271867B - 用于在山中置入或挖掘空穴的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在山中挖掘或置入空穴的方法，在该方法中利用电气式等离子发生器将空穴(2)正面熔化。为了在这样的方法中在空穴(2)正面产生足以完全或部分地蒸发存在的岩石的能量密度，本发明提出：直接在空穴(2)正面上设置热保护罩(4)，该热保护罩与空穴(2)正面构成动压腔(7)，在该动压腔内在大于2bar的压力的情况下通过利用等离子发生器(8)的加热将温度调节到高于2000℃。这个能量供应足够将位于空穴(2)正面的岩石熔化、完全或部分地汽化和从空穴(2)中排出。

Description

用于在山中置入或挖掘空穴的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于在山中置入或挖掘空穴的方法和设备，在其中将位于空穴正面上的岩石热熔化并借助气态的输送介质从空穴中排出，其中，由至少一个电气式等离子发生器提供用于熔化岩石所需的热量，该电气式等离子发生器配置给掘进头(Vortriebskopf)，该掘进头位于可推入到空穴中的供给装置的前部。山中的空穴在此理解为所有种类的钻孔、钻井、矿井、巷道、隧道、腔室等。

背景技术

由US-PS 3,467,206公知了一种这样的方法和附属的设备。在这种按照现有技术已知的方法中，在掘进头的前部设置有围绕空穴的轴线可扭转的和借助滚轮支撑在空穴正面上的、用于等离子燃烧器的保持架，所述等离子燃烧器的等离子束呈角度地指向空穴的正面和壁并且在保持架扭转时应该持续地熔化空穴的正面。应该借助气态的输送介质将熔化的岩石运出。为此一个相应强有力的气态输送剂流指向空穴的正面。在此经由与掘进头连接的可弯曲的缆线(Kabel)为掘进头提供电能和气态的输送剂。为了加速熔化，此处附加地还向熔化区吹入一种合适的、经粉碎的助熔剂。

就能够查明的情况来说，这种前述的方法及附属的设备实际上没能得以实施。大概是不能在与大量的输送介质持续接触的熔化区内产生熔化岩石所需的能量密度。阻碍有针对性的提高能量密度的尤其是：在熔化区的区域中设置有可旋转运动的部件，诸如等离子燃烧器的可旋转运动的支架、支撑辊、它们的轴承等。

发明内容

本发明的目的是，如下地改进文首述及类型的方法和设备，即，能够在熔化区的区域中产生明显较高的能量密度并且可以放弃使用熔化区的区域中的可旋转运动的部件。

为了实现这个目的，本发明以文首述及类型的方法为出发点提出：

掘进头在前部具有热保护罩，该热保护罩将空穴正面遮盖直到留在周边上的间隙为止并且与该空穴正面构成动压腔，

由通过等离子发生器加热的气态的输送介质的分流给位于热保护罩与空穴正面之间的动压腔加载，

所述气态的输送介质的分流将位于空穴正面上的岩石熔化，完全或部分地蒸发，经由周围的间隙而从动压腔中排出并引入到所述气态的输送介质主流中。

在根据本发明的方法中，第一次可以在空穴正面产生很高的能量密度(温度和压力)，该能量密度足够将存在的岩石在空穴正面的整个平面上无问题地熔化和附加地完全或部分地蒸发，以便接着能够借助气态的输送介质将其运出。在此特别有益的是：在热保护罩下的熔化区内不需要可运动的部件。

根据本发明的方法的一种有益的构造规定：在热保护罩与空穴正面之间的装载空间中，将动压力调整为大于2bar和将温度调整为至少2000℃、优选高于2900℃。高温保障了快速掘进。将压力调整得如此之高，使得它足够将熔化的和完全或部分地蒸发的岩石足够快地经由动压腔的周边的间隙排出并引入到主输送流中。

另外规定：对热保护罩的背向空穴正面的那侧进行冷却。通过这种方式保障了：对热保护罩在其背侧和特别是对掘进头的后面的部分进行保护避免过热和由此造成的损坏。

适宜地利用液态的冷却介质实施对热保护罩的这个冷却，该冷却介质足够量地储备在配置给掘进头的压力容器内并在需要时借助合适的热交换器由所供给的气态的输送介质保持冷态。

气态的输送介质优选为氮气。氮气可以特别经济地得到供应并在化学上呈最大程度地惰性。当然也可以使用其它的惰性气体或混合气体作为输送介质，例如氩气或其它合适的惰性气体。

为了保障将熔化的和/或蒸发的岩石可靠地从空穴中运出，另外规定：向位于一方面空穴的壁与另一方面掘进头或者进给和供给装置之间的环形空腔内吹入如此多的气态的输送介质，使得在这个环形空腔内到处产生大于10米/秒、优选大于20米/秒的流速。这个速度足够将熔化的和/或蒸发的岩石可靠地从空穴中排出并防止其在重组(Rekombinieren)或冷凝时粘附在空穴壁、掘进头或推进和供给装置上。

等离子发生器适宜地以30kW至1000kW的电功率运行，该电功率经由供给装置输送并在空穴以外根据热需要量得到控制。

为了加固空穴壁规定：在装载空间的周边喷出的经加热的输送介质将周围的岩石熔化(玻化)。经过这样加固的壁则在必要时不再需要通过支撑架或套管进行支撑。

另外，本发明的主题是用于实施上述方法的设备，该设备包括固定在进给和供给装置上的掘进头，该掘进头设有至少一个用于熔化和/或蒸发位于空穴正面的岩石的电气式等离子发生器和用于气态的输送介质的导向装置，这种设备的特征在于：掘进头在前部具有热保护罩，该热保护罩除了留在周边的间隙以外将空穴正面遮盖并且与空穴正面构成动压腔，该动压腔利用气态的输送介质的分流加载，该动压腔借助配属给热保护罩的电气式等离子发生器加热到岩石的蒸发温度并且将熔化的以及完全和至少部分地蒸发的岩石经由周围的间隙从装载空间中排出并引入到气态的输送介质的主流中。

本设备的第一可能的实施方式规定：热保护罩作为坚固的块体由耐高热的材料、特别是由碳化钽构成，其在前部设有将动压腔包围的周边的凸缘，并且在该热保护罩的容积内含有多个等离子发生器，这些等离子发生器的经加热的等离子体经由设置在块体内的等离子通道引入由凸缘环绕的动压腔内以及引向空穴正面。热保护罩的这种实施方式具有特别的优点：等离子发生器受到保护地设置在热保护罩的内部并且不直接与熔化的和/或蒸发的岩石接触。将熔化的和蒸发的岩石排出的气态的输送剂的分流在此由等离子发生器供给的等离子气体构成。

根据本发明的设备的一种备选的实施方式规定：热保护罩作为向下敞开的壳体由耐高热材料、特别是由碳化钽构成，该热保护罩的敞开的前侧面贴靠在空穴正面上并且该热保护罩的后壁配备有等离子发生器，这些等离子发生器的等离子束直接指向空穴正面。由于此处为了填充壳体的内腔需要更多的气态的输送介质，所以作为对由等离子燃烧器供给的气体的补充还将输送介质的一个分流吹入动压腔内。

在热保护罩的两种上述实施方式中，热保护罩在其背侧设置有由冷却介质、例如水流过的冷却装置。

同样地，为了避免过热，利用在回路中引导的冷却介质、例如水对电气式等离子发生器进行冷却。冷却介质回路本身在必要时经由热交换器由新鲜供给的输送介质进行冷却。

根据本发明的设备的一种特别优选的构造规定：供给装置具有包括彼此旋紧的双管段的双管钻杆，其包括由导电材料构成的内管和由导电材料构成的外管，该外管间隔开地将内管包围并相对这个内管电绝缘，其中，内管的自由横截面用于供给用于产生等离子的输送介质的分流，在内管与外管之间的环形空腔用于供给输送介质主流，并且内管的和外管的导电的横截面用作供电的电导体且用作数据传输导体。这样构造的双管钻杆能够使进给和供给装置通过简单的方式为掘进头提供所有需要的介质和信息。

为了提高作用在空穴正面的等离子体的强度，最后规定：相应地在两个等离子发生器之间设置有附加的阳极，这些阳极沿向着空穴正面的方向可移动地设置。通过这种方式可以将等离子发生器的等离子弧光移动直到直接贴在空穴正面上为止，由此能够显著提高设备的效率。

附图说明

下文参照附图来进一步阐述根据本发明的设备的实施例。附图中：

图1为根据本发明的掘进设备的原理图；

图2为第一实施方式的掘进头和热保护罩的轴向剖视图；

图3为第二实施方式的掘进头和热保护罩的轴向剖视图；

图4为第三实施方式的掘进头、热保护罩和供给装置的轴向剖视图；

图5为第四实施方式的掘进头、热保护罩和供给装置的轴向剖视图；

图6示意性示出两个等离子发生器之间的可移动的阳极的结构。

具体实施方式

在图1中，在地表上竖起的掘进平台用附图标记1标记。这个掘进平台1设有用于置入进给和供给装置3的通常的装置，所述进给和供给装置用于向前推进设置在需制造的空穴2中的掘进头4并供电。掘进头4在其朝向空穴2正面的那侧设有热保护罩5，该热保护罩将空穴2前面遮盖直到在周边延伸的间隙6为止并与空穴2正面构成动压腔7。

在热保护罩5内或上设置有多个形式为等离子燃烧器的电气式等离子发生器8，它们的热量将位于空穴2正面的岩石熔化或者蒸发。

在空穴2正面熔化和/或蒸发的岩石借助由箭头9表示的气态的输送介质而从空穴2中排出。这个气态的输送介质9是氮气，其由压缩机装置10提供并经由用作进给和供给装置3的钻杆输送给掘进头4。载有熔化的和/或蒸发的岩石的输送介质9经由在空穴壁与进给和供给装置3之间的环形空腔排出并在分离设备11中与岩石分离。

借助电功率为30kW至1000kW的直流发电机12经由电线13和设有合适的传输工具的推进和供给装置3给电气式等离子发生器8供电。

热保护罩5在其背侧用水冷却，所述水储备在掘进头4内的合适的水容器4a中或地表上的储备容器14中并且经由合适的管道和阀受控地输送给热保护罩5。

利用相同的冷却介质还对等离子发生器8从背侧进行冷却，因而在那里也排除了过热现象。

由计算机15控制输送介质9、电功率和冷却介质的供应，该计算机经由相应的数据线16而与直流发电机12和用于输送介质9和氮气的控制阀相连。

在图2的实施例中，热保护罩5由坚固的极其耐高温的材料块体、例如碳化钽块体构成并且其下侧设有环绕的凸缘17，该凸缘将动压腔7围住。等离子发生器8在此设置在坚固的碳化钽块体的主体中并且经由指向空穴2正面的等离子通道8a而与动压腔7连接。经由等离子通道8a输送的等离子气体(氮气)同时用作用于将熔化的和/或蒸发的岩石经由留在动压腔7的周边上的且在凸缘17与空穴2正面之间的间隙6从动压腔7中排出的输送介质。输送介质9的通过此处的分流9a同时使空穴2的壁如下地熔化，即，这些壁被玻化并且由此被加固。因此这个空穴2的壁在正常情况下不需要利用支撑架或套管支撑。

用水对用作热保护罩5的块体的背侧进行冷却，所述水储备在掘进头4内的水容器4a中。这个水可以不时地从露天设置的储备容器14中得到补充。类似于热保护罩5，包含在该热保护罩5内的等离子燃烧器8也用水冷却。

在图3的实施例中，热保护罩5由向前敞开的壳体构成，该壳体由高耐热材料、特别是碳化钽制成，该壳体的敞开的前侧面贴靠在空穴2正面上，并且该壳体的后壁配备有等离子发生器8，它们的等离子束直接指向空穴2正面。动压腔7在此由壳体的内腔构成。

在此同样如在图3的实施例中那样，也将位于空穴2正面的岩石熔化和至少部分地蒸发，借助输送介质9的分流9a经由位于动压腔7的周边上的间隙6排出并引入到输送介质9的主流中。在此空穴2的壁也被熔化并以这种方式被加固。

最后，在此等离子发生器8和热保护罩5也从该热保护罩5的背侧用水冷却，这个水储备在水容器4a内。

图4示出的设备基本上与图2的设备相符，因而可以为彼此相应的部分使用相同的附图标记。

另外，图4示出特别是进给和供给装置的细部。进给和供给装置具有双管钻杆，该双管钻杆包括大量的彼此旋紧的管段20。每个管段20具有一个金属内管21和一个金属外管22，该外管间隔开地将内管包围。内管21与外管22通过绝缘套管23而彼此电绝缘，使得它们能够用作为掘进头供应电能的金属导电体。同时，两个彼此绝缘的管件能够用作用于数据传输的电导体。

内管21的自由横截面用作用于被引导穿过等离子发生器8的输送介质的分流24的输送通道。与此相对，用于运走熔化的和蒸发的岩石的输送气体的分流25被引导穿过在内管21与外管22之间的环形空腔。在掘进头4内从这个分流25中分出一个分流，该分流被引导穿过热交换器26，利用这些热交换器，在冷却水容器4a和附属的冷却回路中使冷却水保持冷态。为了这个目的适宜的可以是：在引入环形空腔之前对分流25进行预冷，例如通过附加地导入液态氮。在必要时可以通过位于管段的端部的阀27和28来控制分流24和25。

图5中示出的设备基本上与图3的设备相符，因而在此也可以为彼此相应的部件使用相同的附图标记。

附加地，图5示出的是进给和供给装置的细部，这些细部原则上构造得与借助图4示出和阐述的相同。就这点而言，也可以参照上面的详细说明。

最后，图6示出的是需熔化的岩石正面30上方的两个等离子发生器31的一种特殊的设置结构。这两个等离子发生器31配置有一个可移动的阳极，该阳极如利用双箭头33表示的那样可以有针对性地调节到一个相对岩石正面30贴近的距离。通过这种方式在等离子发生器31与这个阳极32之间获得两个作用很强的弧光，这些弧光能够使岩石正面30的熔化和蒸发明显加速，这是因为所述弧光位于岩石正面30附近。

图6示出的等离子发生器和可移动的阳极的特殊的设置结构可以使用在掘进头的所有前述实施方式中。

Claims (13)

1.用于在山中置入或挖掘空穴(2)的方法，在该方法中将位于空穴(2)正面的岩石热熔化并借助气态的输送介质(9)从空穴(2)中排出，其中，由至少一个电气式等离子发生器(8，31)提供用于熔化岩石所需的热量，该等离子发生器配置给掘进头(4)，该掘进头位于能够推入到空穴(2)中的进给和供给装置(3)的前部，其特征在于：

掘进头(4)在前部具有热保护罩(5)，该热保护罩除了位于周边的间隙(6)以外将空穴(2)正面遮盖并与该空穴(2)正面构成动压腔(7)，

由气态的输送介质(9)的通过等离子发生器(8，31)加热的分流(9a)给位于热保护罩(5)与空穴(2)正面之间的动压腔(7)加载，并且

所述气态的输送介质(9)的所述分流(9a)将位于空穴(2)正面的岩石熔化，完全或部分地蒸发，经由所述周边的间隙(6)从动压腔(7)中排出并引入到所述气态的输送介质(9)的主流中。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在热保护罩(5)与空穴(2)正面之间的动压腔(7)中，将动压力调整为大于2bar并将温度调整为至少2000℃。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：对热保护罩(5)的背向空穴(2)正面的那侧进行冷却。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：利用冷却液对热保护罩(5)进行冷却。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：为了产生等离子体且作为气态的输送介质而使用氮气。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在位于一方面空穴(2)的壁与另一方面掘进头(4)或者其进给和供给装置(3)之间的环形空腔内吹入气态的输送介质(9)，使得在这个环形空腔内到处产生大于10米/秒的流速。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：等离子发生器(8，31)以30至1000kW的电功率运行，该电功率经由进给和供给装置(3)来输送并在空穴(2)以外根据热需要量进行控制。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在动压腔(7)的周边喷出的经加热的输送介质(9)将处在周围的岩石熔化并通过这种方式加固空穴(2)的壁。

9.用于实施如权利要求1所述的方法的设备，该设备包括固定在进给和供给装置(3)上的掘进头(4)，该掘进头具有用于熔化和蒸发位于空穴(2)正面的岩石的至少一个电气式等离子发生器(8，31)和多个用于气态的输送介质(9)的导向装置，其特征在于：掘进头(4)在前部设有热保护罩(5)，该热保护罩除了留在周边的间隙(6)以外将空穴(2)正面遮盖并且与空穴(2)正面构成动压腔(7)，该动压腔利用气态的输送介质(9)的分流加载，借助配属给热保护罩的电气式等离子发生器加热到岩石的蒸发温度，并且将熔化的和完全或部分地蒸发的岩石经由周边的间隙(6)从动压腔(7)中排出并引入到气态的输送介质(9)的主流中。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于：热保护罩(5)构造成由高熔点材料构成的坚固的块体，该块体在前部设有将动压腔(7)包围的周边的凸缘(17)并且在该块体的容积内含有多个等离子发生器(8，31)，这些等离子发生器的经加热的等离子体经由设置在所述坚固的块体内的等离子通道(8a)引入到由凸缘(17)环绕的动压腔(7)内并且引向空穴(2)正面。

11.如权利要求9所述的设备，其特征在于：热保护罩(5)构造成向前敞开的壳体，该壳体由耐高热材料构成，该壳体的敞开的前侧面贴靠在空穴(2)正面上，并且该壳体的后壁配备有电气式等离子发生器(8，31)，这些电气式等离子发生器的等离子束直接指向空穴(2)正面。

12.如权利要求9所述的设备，其特征在于：进给和供给装置(3)具有包括彼此旋紧的双管段(20)的双管钻杆，其包括由导电材料构成的内管(21)和由导电材料构成的外管(22)，该外管间隔开地将内管(21)包围并相对这个内管电绝缘，其中，

内管(21)的自由横截面用于供给用于产生等离子体的输送介质的分流，

内管(21)与外管(22)之间的环形空腔用于供给输送介质主流，并且

内管(21)与外管(22)的导电的横截面用作供电的电导体且用作数据传输导体。

13.如权利要求9所述的设备，其特征在于：设置有相应地设置在两个等离子发生器(8，31)之间的附加的阳极(32)，这些阳极向着空穴(2)正面(30)的方向可移动地设置。