CN114294001A - 超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩装置及方法，包括谐振腔，内装有超声换能器A、谐振环；超声换能器A与具有多个通道的超声波发生装置连接；谐振腔内包裹凿岩钻杆的上部，凿岩钻杆的下部伸出谐振腔，且尾端安装分流器，分流器上安装凿岩钻头；凿岩钻杆的上部连接有超声换能器B，超声换能器B上部连接钻机本体；凿岩钻杆的下部内部有水流通道；凿岩钻头上设有高压喷水孔；高压喷水孔通过导流腔、分流器、水流通道与谐振腔联通。本发明利用超声共振与超声强化高压脉冲射流综合凿岩，破岩效果好，安全性高。

Description

超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种凿岩装置与使用方法，尤其是一种适用于矿山、隧道工程等岩石工程施工领域的超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩装置及使用方法。

背景技术

目前在矿山、隧道工程等岩石工程施工领域广泛应用的凿岩机主要有风动、液压凿岩机两大类，其原理主要是利用导杆带动冲击头一起转动、振动，靠钻头对岩石的压、剪作用破碎岩石。但在硬岩条件下，施工过程中，上述凿岩机普遍存在钻进强度低、成孔速度慢、机具及材料损耗大等问题。

超声波因其具有方向性好、穿透能力强、能量集中等诸多优点，近年来迅速在医学、石油等国民经济各领域得到了广泛应用，特别是大功率超声波发生器的成功研制，使得超声波技术在岩土工程当中的应用更为广泛和深入。在现有的超声碎岩装置中，公开号为CN105464588A与CN205618089U的专利均是利用超声与岩石共振实现岩石的破碎。但试验发现，单一使用超声共振破岩，不仅破岩效率扔有很大的提升空间，而且经超声激励后的岩石发热现象严重，因此上述装置在有瓦斯或瓦斯突出危险的工作环境中的应用受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩装置及方法，能够利用超声强化高压脉冲射流，进行凿岩，同时避免岩石发热，提高破岩效率。

为实现上述目的，本发明采用的一种超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩装置，包括：

由外壳包裹形成的谐振腔；

所述谐振腔内上部安装有超声换能器A；谐振腔内安装有谐振环；超声换能器A与外部的超声波发生装置通过线路连接；

用于向谐振腔内供水的高压供水管路及高压供水系统；

谐振腔内包裹凿岩钻杆的上部，凿岩钻杆的下部伸出所述谐振腔，凿岩钻杆尾端安装分流器，分流器上安装凿岩钻头；

所述凿岩钻杆的下部内部中空形成纵向的水流通道，该水流通道上部与所述谐振腔相连通；所述凿岩钻头上设有钎刃，凿岩钻头上设有高压喷水孔，以及与高压喷水孔联通的导流腔，与所述分流器上设有一个与所述水流通道配合的进水孔，以及多个与导流腔对应配合的出水孔；所述高压喷水孔通过导流腔、分流器、水流通道与所述谐振腔联通；

所述凿岩钻杆上部连接有超声换能器B，超声换能器B上部通过钻机连接装置与钻机本体连接，超声换能器B通过内置于所述钻机连接装置的线路与所述超声波发生装置连接；

所述超声波发生装置具有多个通道，能够分别对换能器A及换能器B输出不同频率；

所述高压供水管路截面大于所述水流通道的截面。

具体的，所述超声换能器A有多个，围绕着所述钻机连接装置成环形布置。

优选的，所述高压喷水孔开设在所述钎刃的端部。

进一步的，还包括凿岩台车，上述超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩装置集成安装在凿岩台车。

其原理为，凿岩钻杆由钻机本体驱动凿岩；且超声波发生装置对换能器B输出操作区域的岩石的固有频率，并通过换能器B转换为超声振动，将超声振动传递给凿岩钻杆，最终通过凿岩钻头对目标岩石进行扰动，促使目标岩石破碎；

同步的，高压水通过高压供水管路进入谐振腔，并充满谐振腔，超声换能器A对谐振腔内的高压水进行强力扰动，谐振环用于加强扰动效果，形成高压脉冲射流，经由水流通道、分流器、导流腔、高压喷水孔直接作用于凿岩钻头与岩石接触的位置，对岩石进行高频脉冲，脉冲射流与凿岩钻头同步耦合工作，进一步冲击岩石表面，以在岩石表面造成应力集中，促使裂纹迅速扩展。

不仅如此，高压脉冲射流直接作用与凿岩钻头与岩石接触位置，能够有效降低凿岩钻头的温度，防止因局部温度过高，引发瓦斯爆燃等事故，且高压水直接作用于粉尘产生的位置，可以有效降低扬尘。

本发明提供的一种超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩方法，利用了上述装置进行凿岩，其步骤为：

S1.测定目标区域的岩石固有频率；

S2.开启钻机，调节超声波发生装置，使其对换能器B激发的超声波输出频率等于岩石固有频率，并将超声振动通过凿岩钻杆传导至岩石表面；

S3.通过高压供水系统、高压供水管路向谐振腔内供高压水，换能器A与谐振环共同作用，将谐振腔内的高压水激荡形成高压脉冲射流，并经由水流通道、分流器、导流腔、高压喷水孔直接作用于岩石；

S4.变换施工位置，重复步骤S1至S3至施工完毕。

本发明与传统技术相比，能耗与水耗更低、破岩效率更高。实践证明，在所有产生脉冲射流的方法中，高压喷水孔中带超声波谐振腔体或内部装有超声波共振体的结构形式能产生自激震荡，相比于其他方法，更为简单、实用，优势显著，具有极大的市场潜力。

附图说明

图1为本发明一种超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩装置；

图2为本发明中，凿岩钻杆与钻研钻头结构放大示意图；

图3为本发明的一个实施例示意图；

图中：

1.外壳，11.超声换能器A，12.谐振环，13.谐振腔；

2.凿岩钻杆，21.水流通道；

3.分流器，31.出水孔，32.进水孔；

4.凿岩钻头，41.钎刃，42.高压喷水孔，43.导流腔；

5.高压供水管路；

61.超声换能器B，62.钻机本体，63.钻机连接装置；

7.凿岩台车。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明采用的一种超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩装置，如图1所示，包括：

由外壳1包裹形成的谐振腔13；该谐振腔13可以设计成圆桶状，实质上为具有一定的抗压性能压力容器，用于存储高压水；

谐振腔13内的上部安装有超声换能器A11；谐振腔13内安装有谐振环12；超声换能器A11与外部的超声波发生装置通过线路连接；

用于向谐振腔13内供水的高压供水管路5及高压供水系统；高压供水系统生成具有较高压力的水，通过高压供水管路5供给谐振腔13；作为配套，高压供水管路5可安装单向阀；

谐振腔13内包裹凿岩钻杆2的上部，且凿岩钻杆2的下部伸出谐振腔13，且凿岩钻杆2尾端安装分流器3，分流器3上安装凿岩钻头4；

如图1及图2所示，凿岩钻杆2的下部内部中空形成纵向的水流通道21，该水流通道21上部与谐振腔13相连通；凿岩钻头4上有钎刃41，凿岩钻头4上设有高压喷水孔42，以及与高压喷水孔42联通的导流腔43，分流器3上设有一个与水流通道21配合的进水孔32，以及多个与导流腔43对应配合的出水孔31；分流器3的作用是将水流通道21内的高压水分流给多个凿岩钻头4上的导流腔43；

高压喷水孔42通过设在凿岩钻头4内部的导流腔43、分流器3、水流通道21与谐振腔13联通；

凿岩钻杆2上部连接有超声换能器B61，超声换能器B61上部通过钻机连接装置62与钻机本体63连接，超声换能器B61通过内置于所述钻机连接装置62的线路与所述超声波发生装置连接。

超声波发生装置具有多个通道，能够分别对换能器A11及换能器B61输出不同频率。

由于谐振腔13内存储高压水，因此，高压供水管路5截面大于水流通道21的截面，以确保谐振腔13内的进水量不小于出水量，且确保内部具有一定的水压。

具体的，如图1，超声换能器A11可以有多个，围绕着钻机连接装置62成环形布置，以增强输出效率及强度。

优选的，如图1及图2所示，高压喷水孔42开设在钎刃41的端部。这样，可以直接将高压脉冲射流作用于与钎刃41接触的岩石上，提升凿岩效果。

进一步的，如图3，还包括凿岩台车7，上述超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩装置集成安装在凿岩台车7。通过集成方式，大大提升作业效率。在矿井内作业时，可以快速更换位置。

本发明所提及的装置，原理为，凿岩钻杆2由钻机本体63驱动凿岩；且超声波发生装置对换能器B61输出操作区域的岩石的固有频率，并通过换能器B61转换为具有超声振动的机械能，将超声振动传递给凿岩钻杆2，凿岩钻杆2通过凿岩钻头4对目标岩石进行扰动，促使目标岩石破碎；

同步的，高压水通过高压供水管5路进入谐振腔13，并充满谐振腔13，超声换能器A11对谐振腔13内的高压水进行强力扰动，谐振环12用于加强扰动效果，形成高压脉冲射流，经由水流通道21、分流器3、导流腔43、高压喷水孔42直接作用于凿岩钻头4与岩石接触的位置，对岩石进行高频脉冲，脉冲射流与凿岩钻头4同步耦合工作，进一步冲击岩石表面，以在岩石表面造成应力集中，促使裂纹迅速扩展。需要说明的是，超声波发生装置可以对超声换能器A11输入不同的频率，以形成破岩效果最佳的高压脉冲射流。

不仅如此，高压脉冲射流直接作用与凿岩钻头4与岩石接触位置，能够有效降低凿岩钻头4的温度，同时降低扬尘。

本发明提供的一种超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩方法，利用了上述装置进行凿岩，其步骤为：

S1.测定目标区域的岩石固有频率；

S2.开启钻机，调节超声波发生装置，使其对换能器B62激发的超声波输出频率等于岩石固有频率，并将超声振动通过凿岩钻杆2传导至岩石表面；

S3.通过高压供水系统、高压供水管路5向谐振腔13内供高压水，换能器A11与谐振环12共同作用，将谐振腔13内的高压水激荡形成高压脉冲射流，高压脉冲射流经由水流通道21、分流器4、导流腔43、高压喷水孔42直接作用于岩石；

S4.变换施工位置，重复步骤S1至S3至施工完毕。

本发明与传统技术相比，能耗与水耗更低、破岩效率更高。实践证明，在所有产生脉冲射流的方法中，内部装有超声波共振体的结构形式能对脉冲射流产生自激震荡，相比其他方法，更为简单、实用，优势显著，具有极大的市场潜力。

Claims (5)

1.一种超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩装置，其特征在于，包括：

由外壳包裹形成的谐振腔；

所述谐振腔内上部安装有超声换能器A；谐振腔内安装有谐振环；超声换能器A与外部的超声波发生装置通过线路连接；

用于向谐振腔内供水的高压供水管路及高压供水系统；

谐振腔内包裹凿岩钻杆的上部，凿岩钻杆的下部伸出所述谐振腔，凿岩钻杆尾端安装分流器，分流器上安装凿岩钻头；

所述凿岩钻杆的下部内部中空形成纵向的水流通道，该水流通道上部与所述谐振腔相连通；所述凿岩钻头上设有钎刃，凿岩钻头上设有高压喷水孔，以及与高压喷水孔联通的导流腔，与所述分流器上设有一个与所述水流通道配合的进水孔，以及多个与导流腔对应配合的出水孔；所述高压喷水孔通过导流腔、分流器、水流通道与所述谐振腔联通；

所述凿岩钻杆上部连接有超声换能器B，超声换能器B上部通过钻机连接装置与钻机本体连接，超声换能器B通过内置于所述钻机连接装置的线路与所述超声波发生装置连接；

所述超声波发生装置具有多个通道，能够分别对换能器A及换能器B输出不同频率；

所述高压供水管路截面大于所述水流通道的截面。

2.根据权利要求1所述的一种超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩装置，其特征在于，所述超声换能器A有多个，围绕着所述钻机连接装置成环形布置。

3.根据权利要求2所述的一种超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩装置，其特征在于，所述高压喷水孔开设在所述钎刃的端部。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩装置，其特征在于，还包括凿岩台车，上述超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩装置集成安装在凿岩台车。

5.一种超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩方法，其特征在于，利用了权利要求1至3任意一项所述一种超声振动与超声高压脉冲射流综合凿岩装置，其步骤为：

S1.测定目标区域的岩石固有频率；

S2.开启钻机，调节超声波发生装置，使其对换能器B激发的超声波输出频率等于岩石固有频率，并将超声振动通过凿岩钻杆传导至岩石表面；

S3.通过高压供水系统、高压供水管路向谐振腔内供高压水，换能器A与谐振环共同作用，将谐振腔内的高压水激荡形成高压脉冲射流，并经由水流通道、分流器、导流腔、高压喷水孔直接作用于岩石；

S4.变换施工位置，重复步骤S1至S3至施工完毕。

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