CN114718465A - 一种动态拉剪掘进钻头及复合破岩方法 - Google Patents
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Abstract
一种动态拉剪掘进钻头及复合破岩方法，包括钻头头部；所述钻头头部包括旋转钻头、冲击钻头和高压喷嘴，所述高压喷嘴布设在冲击钻头的工作面上，所述冲击钻头包括多扇中心对称的冲击结构，所述旋转钻头包括多扇中心对称的旋转结构，所述冲击结构和旋转结构数量对应，所述冲击钻头的冲击结构与旋转钻头的旋转结构相互间隔布设，并且所述冲击结构与旋转结构沿轴向滑动连接。本发明提高深部复杂硬岩地质环境下掘进效率、降低钻头磨损。
Description
技术领域
本发明涉及矿山凿岩掘进领域，特别是一种动态拉剪掘进钻头及复合破岩方法。
背景技术
随着世界科技水平的高速发展，对于矿产资源的需求量也日益增加，位于地表浅部的矿产资源也逐渐被开采殆尽。深地开采将成为越来越多矿山开采的常态，而开采深度的增加也就意味着硬质岩层的出现频率增多，目前的硬岩开采钻井技术中存在着掘进水平低、钻头磨损率高和掘进温度高等问题。
目前，传统的掘进钻头已经不能够胜任矿山生产工作的需要，各种类型及形状的掘进钻头蓬勃发展。但这些钻头仍然采用的单一破岩形式，不能够很好的适应掘进过程中遇到的复杂地质环境。岩石的抗拉、抗剪强度远小于其的抗压强度，若在钻孔过程中能很好的应用岩石的这一特性将对深部硬岩开采的经济效益有着很大的提升。传统PDC钻头在面对硬岩时，切削齿能够切入的深度较浅，故而在功率相等情况下，同样的力将会更加集中在切削齿的头部，容易造成跳齿等不良状况，从而导致钻头的磨损率大大提高。传统的冲击钻头仅采用单一弹簧作为缓冲，因此在冲击破岩过程中损耗的能量较大。
在专利申请方面，专利申请号CN113931576，名称为“一种冲、切复合钻具”，其主要使用冲击钻头和旋转钻头联合破岩以提高效率。但目前这类所举专利主要破岩形式为压剪破岩，仍存在掘进效率低和钻头磨损率高的问题。因此，设计一种复合形式破岩的掘进钻头对于深地硬岩开采而言是至关重要的。
发明内容
本发明解决现有技术的不足而提供一种提高深部复杂硬岩地质环境下掘进效率、降低钻头磨损的动态拉剪掘进钻头及复合破岩方法。
为实现上述目的，本发明首先提出了一种动态拉剪掘进钻头，包括钻头头部；
所述钻头头部包括旋转钻头、冲击钻头和高压喷嘴，所述高压喷嘴布设在冲击钻头的工作面上，所述冲击钻头包括多扇中心对称的冲击结构，所述旋转钻头包括多扇中心对称的旋转结构，所述冲击结构和旋转结构数量对应，所述冲击钻头的冲击结构与旋转钻头的旋转结构相互间隔布设，并且所述冲击结构与旋转结构沿轴向滑动连接；
所述旋转钻头旋转结构的工作面上设置有主切削齿和副切削齿，所述主切削齿固定在旋转结构工作面上、且沿两侧刀翼轮廓布设，所述迎风侧的主切削齿高于背风侧的主切削齿，所述副切削齿设置在两侧主切削齿之间，副切削齿突起高度低于两侧主切削齿，以使得动态拉剪破岩的反作用主要施加在主切削齿上；两侧主切削齿与副切削齿之间均设有间隔，所述旋转结构工作面上、在间隔内设有冲刷槽，冲刷槽的目的在于,方便夹杂有岩屑的流体沿冲刷槽向钻头外侧流动而不影响钻孔工作；
在初始状态时，冲击钻头工作面轴向的突起高度低于旋转钻头的工作面，在工作状态时，冲击钻头的工作面沿轴向伸出旋转钻头实现冲击工作。
由于采用上述结构，工作时，冲击钻头先行运作，将掘进面部分区域锤击软弱，从而使得掘进面分为锤击过的软弱区域和未锤击过的硬岩区域两部分，相较于未锤击过的硬岩区域，软弱区域由于被冲击钻头锤击过，使得部分内应力释放并产生大量裂隙，从而更能够被旋转钻头切入，然后再驱动旋转钻头逆时针旋转钻进，此时将以锤击出的软弱区域作为突破口，同时，由于旋转钻头的主切削齿在迎风侧的突出高度高于背风侧，此时，由于冲击钻头锤击过的有大量裂隙形成软弱区域，迎风侧主切削齿虽然突出高度高，但与软弱区域配合，一方面，保证旋转钻头启动时不会卡钻，保证旋转钻头可以快速旋转起来，另一方面，旋转钻头继续旋转后，迎风侧主切削齿对硬岩区域产生一个持续的剪切的力，而背风侧的主切削齿和副切削齿进一步对硬岩区域和掘进范围外的原岩区域连接处摩擦，通过摩擦力产生的拉伸力，从而达到冲击和动态拉剪的拉剪破岩效果，使得未受到锤击的区域与软弱区域之间产生断层，有效提高了掘进工作效率，从而提高深部复杂硬岩地质环境下掘进效率、降低了钻头磨损。
上述实施方式中，所述冲击钻头内部设置有内液道，高压喷嘴螺纹连接在冲击钻头的内液道内，从而方便更换维护；
上述实施方式中，所述高压喷嘴具体排布方式为：所述冲击钻头的中心布设一个高压喷嘴，以冲击钻头中心为对称轴在每扇冲击结构上布设2个高压喷嘴。
上述实施方式中，所述旋转钻头的旋转结构的背风侧刀翼向外凸、迎风侧刀翼向内凹陷，从而提高刀翼的强度以增加钻头的使用寿命，且这样的形状方便岩屑向掘进方向后流动，所述副切削齿沿旋转钻头工作面径向直线布置。
上述实施方式中，所述冲击钻头的每扇冲击结构的工作面圆周外侧上、沿轴向设有凹槽，凹槽在每个扇冲击结构上并排设有两条。设置凹槽的目的是：方便夹杂有岩屑的流体沿凹槽向掘进方向后流动，防止岩屑影响钻孔工作
上述实施方式中，还包括钻柄，所述钻柄包括旋转驱动结构、冲击驱动结构和液道，所述冲击驱动结构包括第一冲击件、第二冲击件、弹簧和内耐磨套筒，所述旋转驱动结构包括钻柄外壳，所述内耐磨套筒同轴固定在钻柄外壳内，所述内耐磨套筒在内腔的上下两侧内壁上、沿轴向分别对称设有滑槽，所述第一冲击件和第二冲击件分别密封滑动安装在内耐磨套筒内腔的上、下两侧，并且第一冲击件和第二冲击件通过滑块限位在内耐磨套筒对应的滑槽内，所述第一冲击件和第二冲击件之间设置有弹簧，所述第一冲击件内设有空腔，并且所述第一冲击件的面向弹簧的一侧设有与空腔连通的开口，所述第一冲击件的空腔内设置有与所述空腔直径相匹配的腔室密封板，所述腔室密封板与所述空腔内壁密封滑动连接，所述腔室密封板将第一冲击件内空腔密封形成空气腔室，所述弹簧的顶部与腔室密封板固定、底部与第二冲击件固定，所述冲击钻头固定在第二冲击件的底部，所述第二冲击件与冲击钻头之间设置有密封圈密封；所述旋转钻头固定在钻柄外壳的头部。
冲击破岩时将岩石分为压实区、裂隙区和原岩区，其中压实区和裂隙区统称为破岩区域。传统冲击钻头仅使用单一弹簧作为缓冲，在钻头下压过程中弹簧压缩的长度短，很快就使得钻头的冲击速度增大，因此其冲击速度快，导致压实区范围大，从而使得应力波快速衰减且应力波延续时间减小，故而裂隙区范围大大减小。而在液压冲击控制驱动系统的功率一致情况下，空气腔室能够在下压过程中压缩较大的距离，因此使得冲击钻头接触到掘进面时都无法达到传统钻头的下压最大速度，但单一空气腔室能够吸收的动能有限，故而本发明采用空气腔室和弹簧联合吸收动能，本装置通过同时布设弹簧和空气腔室，使得冲击钻头可以实现冲击回弹，所述冲击回弹是指空气腔室和弹簧同时吸收动能用于岩石破碎，由液压冲击控制驱动系统提供能量使得冲击钻头下压，在下压至掘进面的过程中，空气腔室和弹簧压缩，其吸收部分动能转换为势能以减小冲击钻头的速度，从而导致压实区范围减小；在冲击钻头撞击掘进面时，空气腔室和弹簧上储存的势能转换为应力波传入岩体，使得冲击破岩产生的破碎区域增大；在冲击钻头上抬的卸载过程中，空气腔室和弹簧吸收反射应力波储存为势能，至此为一个冲击破岩循环，而其中储存的势能为下一循环的冲击破岩工作提供能量。相比于传统的单一弹簧冲击钻头能够在冲击过程中吸收更多动能且钻头下压速度更小，从而减小压实区范围和应力波衰减，以此增大裂隙区范围，比传统冲击钻头的破岩区域范围大，可以提高冲击能量的利用率。
上述实施方式中，所述钻柄上端连接有感知短节，所述感知短节与液压旋转控制驱动系统和液压冲击控制驱动系统连接，所述液压旋转控制驱动系统用于控制旋转驱动结构，所述液压冲击控制驱动系统用于控制冲击驱动结构，所述感知短节内置有压力传感器，所述压力传感器用于得到钻头钻进过程中的压力数据；所述液压旋转控制驱动系统和液压冲击控制驱动系统与总控制系统连接。
本发明还包括一种动态拉剪掘进钻头复合破岩方法，利用上述的掘进钻头，具体包括如下步骤：
a、首先在掘进面挖取岩芯，结合地质资料使用RMR系统分级指标及评分对岩芯初始分级评分，分级评分值小于30时判定掘进面为软岩，将初始钻进模式设定为单一旋转破岩模式，分级评分值大于70时判定掘进面为硬岩，将初始钻进模式设定为单一冲击破岩模式；分级评分值在30到70之间时，将初始钻进模式设定为联合破岩模式，所述联合破岩模式为冲击破岩和旋转破岩循环工作的模式；
b、在钻具进行工作时，总控制系统(13)对感知短节(10)内压力传感器返回的数据进行实时监控，将压力传感器返回的数据作为岩石单轴抗压强度在RMR系统分级指标及评分中进行单项评分，
当此项评分值小于4时，切换为单一旋转破岩模式，当此项评分值大于12时，切换为单一冲击破岩模式，当此项评分值在4～12之间时，切换为联合破岩模式；
在步骤b中，在模式切换时，总控制系统设置有模式切换犹豫时间，通过犹豫时间对压力传感器返回的数据进行瞬时极值抑制。
上述实施方式中，所述联合破岩模式具体步骤如下：
所述联合破岩模式具体步骤如下：冲击钻头先工作，然后旋转钻头旋转110°～115°，然后冲击钻头再冲击，依次循环。采用上述方式，由于本申请旋转钻头采用为三刀翼结构，冲击钻头先工作，将掘进面部分，旋转钻头将要旋转的区域锤击软弱，此时旋转钻头只要旋转120°，即完成了对冲击钻头锤击部分的破岩工作，因此这里将旋转钻头旋转110°～115°作为冲击钻头冲击一次的触发条件，这样给冲击钻头再次冲击掘进面留了时间上的余量，使得冲击钻头冲击的位置满足掘进要求，保证了旋转钻头工作的连续性。
由于采用上述方法，本发明可以在多个工作模式下自动转换和调整，从而可以根据实际情况可以任意选择工作模式以获得最大的经济效益；所述联合破岩模式是指总控制系统控制液压冲击驱动系统，使得冲击钻头开始锤击掘进面以形成一定深度的扇形软弱区域，同时旋转钻头持续向下并逆时针旋转，不断通过液压传动控制钻头前进，从而将切削齿切入软弱面；同时因为冲击回弹的结构可以增加冲击钻头破岩区域的深度，从而使得切削齿能够切入的深度增大以此达到复合破岩的效果；对于未锤击的区域而言，将同时受到旋转钻头动力施加的剪切力和与原岩区域之间的摩擦力，冲击结构与旋转结构持续往复联合运作，使得掘进面上的岩体受到不断受到冲击和拉剪的动态破坏。
综上所述，本发明通过使用冲击钻头和主副切削齿相互结合，通过总控制系统调节冲击频率和旋转转速从而使得压剪破岩变得动态拉剪破岩，有效提高了钻头的破岩效率，并且减小了钻头的磨损率，降低了钻头的更换频率，提高了作业的经济效益；通过采用三种工作模式自动或手动选择使用，可以针对地质环境任意选择工作模式，并且可以有针对性的自动调整冲击结构的冲击频率和旋转结构的转速以获得最大的掘进破岩效率；在冲击结构中采用空气腔室和弹簧联合吸收动能以提高钻头的能量利用率。
附图说明
图1是本发明的侧视图；
图2是本发明的轴向剖视图；
图3是本发明的钻头头部图仰视图；
图4是本发明的破岩区掘进面的示意图；
图5是本发明的主切削齿在软弱区域和硬岩区域切入状态的对比图；
图6是本发明与传统冲击钻头的冲击破岩岩层情况对比图；
图7是本发明的控制系统图；
图8是本发明冲击钻头冲击时的轴向剖面图。
图中：1、旋转钻头；1-1、主切削齿；1-2、副切削齿；1-3、冲刷槽；2、冲击钻头；2-1、冲击齿；2-2、凹槽；2-3、高压喷嘴；2-4、内液道；3、钻柄外壳；3-1、钻柄连接口；3-2、冲击护具；4、液道；5、第一冲击件；5-1、空气腔室；5-2、腔室密封板；6、弹簧；7、第二冲击件；8、密封圈；9、内耐磨套筒；10、感知短节；11、液压冲击控制驱动系统；12、液压旋转控制驱动系统；13、总控制系统；14-1、硬岩区域；14-2、软弱区域；15-1、传统冲击钻头；15-2、压实区；15-3、裂隙区；15-4、原岩区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示，本实例提供了一种动态拉剪掘进钻头，包括钻头头部、钻柄和控制系统；
所述钻头头部包括旋转钻头1、冲击钻头2和高压喷嘴2-3，旋转钻头1和冲击钻头2分别采用液压冲击驱动结构和液压旋转驱动结构驱动；所述高压喷嘴2-3布设在冲击钻头2的工作面上，所述冲击钻头2包括三扇中心对称的冲击结构，所述旋转钻头1包括三扇中心对称的旋转结构，所述冲击钻头2的三扇冲击结构与旋转钻头1的三扇旋转结构相互间隔布设，并且所述冲击结构与旋转结构沿轴向滑动连接；
高压喷嘴2-3具体排布方式为，冲击钻头2的中心布设一个高压喷嘴2-3，以冲击钻头2中心为对称轴在每扇冲击结构上布设2个高压喷嘴2-3；
所述冲击钻头2的每扇冲击结构的工作面圆周外侧上、沿轴向设有凹槽2-2，本实施例中，凹槽2-2在每个扇冲击结构上并排设有两条，凹槽2-2的目的是：方便夹杂有岩屑的流体沿凹槽2-2向掘进方向后流动，防止岩屑影响钻孔工作；
冲击钻头2内部设置有内液道2-4，高压喷嘴2-3螺纹连接在冲击钻头2的内液道2-4内，从而方便更换维护；冲击钻头2与钻柄之间采用螺纹连接方便后续进行钻头的更换；
所述旋转钻头1与钻柄之间采用钎焊连接以保证作业时的稳固安全；所述旋转钻头1的旋转结构采用双圆弧冠部轮廓，并且旋转结构的背风侧刀翼向外凸、迎风侧刀翼向内凹陷，旋转结构的工作面上设置有主切削齿1-1和副切削齿1-2，所述主切削齿1-1固定在旋转结构工作面上、且沿两侧刀翼轮廓布设，所述迎风侧的主切削齿1-1高于背风侧的主切削齿1-1，所述副切削齿1-2设置在两侧主切削齿1-1之间，并且副切削齿1-2沿旋转钻头1工作面径向直线布置，副切削齿1-2突起高度低于两侧主切削齿1-1，以使得动态拉剪破岩的反作用主要施加在主切削齿1-1上；两侧主切削齿1-1与副切削齿1-2之间均设有间隔，所述旋转结构工作面上、在间隔内设有冲刷槽1-3，冲刷槽1-3的目的在于,方便夹杂有岩屑的流体沿冲刷槽1-3向钻头外侧流动而不影响钻孔工作；如图2所示，在初始状态时，冲击钻头2工作面轴向的突起高度低于旋转钻头1的工作面，冲击钻头2上的高压喷嘴仍然保持工作；如图8所示，在工作状态时，冲击钻头2的工作面沿轴向伸出旋转钻头1实现冲击工作。
所述钻柄包括旋转驱动结构、冲击驱动结构和液道4，三者独立运作互不影响，且钻柄上端设有钻柄连接口3-1，钻柄连接口3-1设置螺纹结构用于连接感知短节10；
所述冲击驱动结构包括第一冲击件5、第二冲击件7、弹簧6和内耐磨套筒9，所述旋转驱动结构包括钻柄外壳3和冲击护具3-2，所述内耐磨套筒9同轴固定在钻柄外壳3内，所述内耐磨套筒9在内腔的上下两侧内壁上、沿轴向分别对称设有滑槽，所述第一冲击件5和第二冲击件7分别密封滑动安装在内耐磨套筒9内腔的上、下两侧，并且第一冲击件5和第二冲击件7通过滑块限位在内耐磨套筒9对应的滑槽内，所述第一冲击件5和第二冲击件7之间设置有弹簧6，所述第一冲击件5内设有空腔，并且所述第一冲击件5的面向弹簧的一侧设有与空腔连通的开口，所述第一冲击件5的空腔内设置有与所述空腔直径相匹配的腔室密封板5-2，所述腔室密封板5-2与所述空腔内壁密封滑动连接，所述腔室密封板5-2将第一冲击件5内空腔密封形成空气腔室5-1，所述弹簧6的顶部与腔室密封板5-2固定、底部与第二冲击件7固定，所述冲击钻头2螺纹连接在第二冲击件7的底部，所述第二冲击件7与冲击钻头2之间设置有密封圈8密封；
通过设置空气腔室5-1，使得冲击钻头可以实现冲击回弹，所述冲击回弹是指空气腔室5-1和弹簧6同时吸收动能用于岩石破碎，相较于传统冲击钻头15-1而言破岩区域更大，如图6所示；
具体实施时，由液压冲击控制驱动系统11提供能量使得冲击钻头2下压，在下压至掘进面的过程中，空气腔室5-1和弹簧6压缩，其吸收部分动能转换为势能以减小冲击钻头2的速度，从而导致压实区15-2范围减小；在冲击钻头2撞击掘进面时，空气腔室5-1和弹簧6上储存的势能转换为应力波传入岩体，使得冲击破岩产生的破碎区域增大；在冲击钻头2上抬的卸载过程中，空气腔室5-1和弹簧6吸收反射应力波储存为势能，至此为一个冲击破岩循环，而其中储存的势能为下一循环的冲击破岩工作提供能量。
所述第一冲击件5、第二冲击件7和密封圈8的中部设置有中心孔，所述液道4密封插装在所述中心孔内，所述液道4的一端与冲击钻头2内的内液道2-4连通，另一端与高压泵连接；
钻柄外壳3的上端与感知短节10螺纹连接；所述冲击护具3-2钎焊在钻柄外壳3头部外壁上以保护旋转钻头与钻柄之间的连接位置，防止在冲击钻头2工作时有岩屑进入以损坏钻具；
如图7所示，所述控制系统包括感知短节10、液压旋转控制驱动系统12、液压冲击控制驱动系统11和总控制系统13；所述感知短节10头部与钻柄末端螺纹连接，末端与液压旋转控制驱动系统12和液压冲击控制驱动系统11螺纹连接，感知短节10内置有压力传感器；所述液压旋转控制驱动系统12和液压冲击控制驱动系统11二者相互独立工作，且统一由总控制系统13调控工作模式；
本装置的装配过程如下：
a.将液道4从第一冲击件5的中心孔处插入，穿过弹簧6，从第二冲击件7和密封圈8的中心孔穿出，与冲击钻头2的内液道2-4连接；
b.在内耐磨套筒9上抹上润滑油脂并将冲击驱动结构套入旋转驱动结构中，通过钻柄连接口3-1和第一冲击件5上端的外螺纹与感知短节10进行螺纹连接；
c.在密封圈8上涂抹润滑油脂并扣入钻柄下部，选择合适形状冲击齿的冲击钻头2并将其通过螺纹连接至第二冲击件7下端；
e.选取合适角度的高压喷嘴2-3通过螺纹连接安装在冲击钻头2上；
f.将总控制系统13、液压旋转控制驱动系统12、液压冲击控制驱动系统11和感知短节10连线接好，并根据探测的岩石质量指标和掘进要求进行系统参数的初始化设置。
本发明还包括一种动态剪掘进钻头复合破岩方法，具体包括，
总控制系统13中设置有三种工作模式，包括单一冲击破岩模式、单一旋转破岩模式和联合破岩模式。由于具体的地质环境是复杂多变的，故而可以通过感知短节10中的压力传感器得到的压力数据再结合预先测得的岩石质量指标在总控制系统13中进行实时工作参数计算以自动调节工作模式，也可手动选择工作模式，以保证使用最佳的工作模式和工作参数以获得最大的工作效率；感知短节10可以将钻头部分工作时与掘进面产生的压力数据传入总控制系统，具体技术参考了CN114109351A专利便不再赘述；
表1 RMR系统分级指标及评分
Table 1 Classification indexes and their ratings of RMR system
具体地，a、首先在掘进面挖取岩芯，结合地质资料使用RMR系统分级指标及评分(如表1所示)对岩芯初始分级评分，分级评分值小于30时判定掘进面为软岩，将初始钻进模式设定为单一旋转破岩模式，分级评分值大于70时判定掘进面为硬岩，将初始钻进模式设定为单一冲击破岩模式；分级评分值在30到70之间时，将初始钻进模式设定为联合破岩模式，所述联合破岩模式为冲击破岩和旋转破岩循环工作的模式；
b、在钻具进行工作时，总控制系统(13)对感知短节(10)内压力传感器返回的数据进行实时监控，将压力传感器返回的数据作为岩石单轴抗压强度在RMR系统分级指标及评分中进行单项评分(如表1所示)，
当此项评分值小于4时，切换为单一旋转破岩模式，当此项评分值大于12时，切换为单一冲击破岩模式，当此项评分值在4～12之间时，切换为联合破岩模式；
对于单一旋转破岩模式、单一冲击破岩模式和联合破岩模式切换的原理：
当此项评分值小于4时，意味着此时钻头前方的岩体较为脆弱，切换为单一旋转破岩模式，此时若还是使用联合破岩模式会导致在一个循环破岩工作中，冲击钻头2和旋转钻头1交替工作的掘进速度比旋转钻头1单独工作更慢；
当此项评分值大于12时，就意味钻头前方遇到坚硬岩体，极可能是一整块的石头。此时，采用联合破岩模式工作会导致冲击钻头2锤击出的软弱区域14-2较浅，且旋转钻头1对于整块岩石的破岩效率不高，还会造成切削齿的磨损增加，因此切换工作模式为单一冲击破岩模式。该模式中以冲击钻头为主，旋转钻头1配合冲击钻头的冲击频率辅助旋转，保证冲击钻头2能够完整的对于整个掘进面造成冲击破坏，同时旋转钻头1还可以带动岩屑向掘进方向后流动以进一步提高冲击破岩的效率。若旋转钻头1前进速率降低，可以使得旋转钻头1不进行破岩工作，从而可以让更多的功率分配至旋转转速、冲击频率和冲击压力上以进行最大效率的破岩。
在步骤b中，对总控制系统13设置一个模式切换犹豫时间，通过犹豫时间对压力传感器返回的数据进行瞬时极值抑制。
瞬时极值包括两种情况，一、瞬间增大又恢复到原始压力的值；二、瞬间减小又恢复到原始压力的值；
对于第一种情况，瞬间增大又恢复到原始压力的极大值则很可能是冲击钻头回弹时返回的压力值而非钻头头部与掘进面之间的压力；
对于第二种情况，瞬间减小又恢复到原始压力的值有可能是钻头突然遇到较软岩层，而后又恢复正常岩层；
上述两者情况，通过瞬时极值抑制，可以防止冲击模式的频繁切换，提高设备寿命；通过设置一个犹豫时间，即压力传感器返回的数据维持一端时间才会进行工作模式切换。
工作时，旋转驱动结构持续向下并且逆时针旋转，此时将以锤击出的软弱区域14-2作为突破口，旋转钻齿切入软弱区域14-2；且为了能够更加切入，由于旋转钻头1的主切削齿1-1在迎风侧的突出高度高于背风侧，如图4所示；此时未受到锤击的区域与软弱区域14-2之间产生断层，与传统掘进钻头单一的压剪破岩不同，掘进面的软弱区域14-2和剩下的硬岩区域14-1受力不均以达到拉剪破岩效果；
在各个硬岩区域14-1与旋转钻头的接触面上，通过图4的受力分析可得此时硬岩区域14-1到旋转钻头1施加的切向的剪切力，同时在硬岩区域14-1与掘进范围外的原岩区14-4连接处还会受到由摩擦力产生的拉伸力，进而达到与传统钻头不同的拉剪破岩，有效提高了掘进工作效率；故而在采用联合破岩模式时，冲击驱动结构和旋转驱动结构不断联合运行，从而达到冲击和动态拉剪破岩的效果。
优选地，为了达成联合破岩模式所设计的持续动态拉剪破岩，所述总控制系统会处理岩石质量指标和感知短节10返回的压力数据，从而自动调节液压旋转控制驱动系统12的旋转转速和液压冲击控制驱动系统11的冲击频率，以此保证旋转钻头1在持续作动态拉剪破岩工作。
一种动态拉剪掘进钻头的联合破岩模式的工作步骤如下：
冲击钻头先工作，然后旋转钻头旋转110°～115°，然后冲击钻头再冲击，依次循环。采用上述方式，由于本申请旋转钻头采用为三刀翼结构，冲击钻头先工作，将掘进面部分，旋转钻头将要旋转的区域锤击软弱，此时旋转钻头只要旋转120°，即完成了对冲击钻头锤击部分的破岩工作，因此这里将旋转钻头旋转110°～115°作为冲击钻头冲击一次的触发条件，这样给冲击钻头再次冲击掘进面留了时间上的余量，使得冲击钻头冲击的位置满足掘进要求，保证了旋转钻头工作的连续性。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种动态拉剪掘进钻头，其特征在于，包括钻头头部；
所述钻头头部包括旋转钻头(1)、冲击钻头(2)和高压喷嘴(2-3)，所述高压喷嘴(2-3)布设在冲击钻头(2)的工作面上，所述冲击钻头(2)包括多扇中心对称的冲击结构，所述旋转钻头(1)包括多扇中心对称的旋转结构，所述冲击结构和旋转结构数量对应，所述冲击钻头(2)的冲击结构与旋转钻头(1)的旋转结构相互间隔布设，并且所述冲击结构与旋转结构沿轴向滑动连接；
所述旋转钻头(1)旋转结构的工作面上设置有主切削齿(1-1)和副切削齿(1-2)，所述主切削齿(1-1)固定在旋转结构工作面上、且沿两侧刀翼轮廓布设，所述迎风侧的主切削齿(1-1)高于背风侧的主切削齿(1-1)，所述副切削齿(1-2)设置在两侧主切削齿(1-1)之间，副切削齿(1-2)突起高度低于两侧主切削齿(1-1)，两侧主切削齿(1-1)与副切削齿(1-2)之间均设有间隔，所述旋转结构工作面上、在间隔内设有冲刷槽(1-3)；
在初始状态时，冲击钻头(2)工作面轴向的突起高度低于旋转钻头(1)的工作面，在工作状态时，冲击钻头(2)的工作面沿轴向伸出旋转钻头(1)实现冲击工作。
2.根据权利要求1所述的动态拉剪掘进钻头，其特征在于：所述冲击钻头(2)内部设置有内液道(2-4)，高压喷嘴(2-3)螺纹连接在冲击钻头(2)的内液道(2-4)内。
3.根据权利要求1所述的动态拉剪掘进钻头，其特征在于：所述高压喷嘴(2-3)具体排布方式为：所述冲击钻头(2)的中心布设一个高压喷嘴(2-3)，以冲击钻头(2)中心为对称轴在每扇冲击结构上布设2个高压喷嘴(2-3)。
4.根据权利要求1所述的动态拉剪掘进钻头，其特征在于：所述旋转钻头(1)的旋转结构的背风侧刀翼向外凸、迎风侧刀翼向内凹陷，所述副切削齿(1-2)沿旋转钻头(1)工作面径向直线布置。
5.根据权利要求1所述的动态拉剪掘进钻头，其特征在于：所述冲击钻头(2)的每扇冲击结构的工作面圆周外侧上、沿轴向设有凹槽(2-2)，凹槽(2-2)在每个扇冲击结构上并排设有两条。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的动态拉剪掘进钻头，其特征在于：还包括钻柄，所述钻柄包括旋转驱动结构、冲击驱动结构和液道(4)，所述冲击驱动结构包括第一冲击件(5)、第二冲击件(7)、弹簧(6)和内耐磨套筒(9)，所述旋转驱动结构包括钻柄外壳(3)，所述内耐磨套筒(9)同轴固定在钻柄外壳(3)内，所述内耐磨套筒(9)在内腔的上下两侧内壁上、沿轴向分别对称设有滑槽，所述第一冲击件(5)和第二冲击件(7)分别密封滑动安装在内耐磨套筒(9)内腔的上、下两侧，并且第一冲击件(5)和第二冲击件(7)通过滑块限位在内耐磨套筒(9)对应的滑槽内，所述第一冲击件(5)和第二冲击件(7)之间设置有弹簧(6)，所述第一冲击件(5)内设有空腔，并且所述第一冲击件(5)的面向弹簧(6)的一侧设有与空腔连通的开口，所述第一冲击件(5)的空腔内设置有与所述空腔直径相匹配的腔室密封板(5-2)，所述腔室密封板(5-2)与所述空腔内壁密封滑动连接，所述腔室密封板(5-2)将第一冲击件(5)内空腔密封形成空气腔室(5-1)，所述弹簧(6)的顶部与腔室密封板(5-2)固定、底部与第二冲击件(7)固定，所述冲击钻头(2)固定在第二冲击件(7)的底部，所述第二冲击件(7)与冲击钻头(2)之间设置有密封圈(8)密封；所述旋转钻头(1)固定在钻柄外壳(3)的头部。
7.根据权利要求6所述的动态拉剪掘进钻头，其特征在于：所述钻柄上端连接有感知短节(10)，所述感知短节(10)与液压旋转控制驱动系统(12)和液压冲击控制驱动系统(11)连接，所述液压旋转控制驱动系统(12)用于控制旋转驱动结构，所述液压冲击控制驱动系统(11)用于控制冲击驱动结构，所述感知短节(10)内置有压力传感器，所述压力传感器用于得到钻头钻进过程中的压力数据；所述液压旋转控制驱动系统(12)和液压冲击控制驱动系统(11)与总控制系统(13)连接。
8.一种动态拉剪掘进钻头复合破岩方法，利用权利要求7所述的掘进钻头，其特征在于，具体包括如下步骤：
a、首先在掘进面挖取岩芯，结合地质资料使用RMR系统分级指标及评分对岩芯初始分级评分，分级评分值小于30时判定掘进面为软岩，将初始钻进模式设定为单一旋转破岩模式，分级评分值大于70时判定掘进面为硬岩，将初始钻进模式设定为单一冲击破岩模式；分级评分值在30到70之间时，将初始钻进模式设定为联合破岩模式，所述联合破岩模式为冲击破岩和旋转破岩循环工作的模式；
b、在钻具进行工作时，总控制系统(13)对感知短节(10)内压力传感器返回的数据进行实时监控，将压力传感器返回的数据作为岩石单轴抗压强度在RMR系统分级指标及评分中进行单项评分，
当此项评分值小于4时，切换为单一旋转破岩模式，当此项评分值大于12时，切换为单一冲击破岩模式，当此项评分值在4～12之间时，切换为联合破岩模式。
9.根据权利要求8所述的动态拉剪掘进钻头复合破岩方法，其特征在于：在步骤b中，在模式切换时，总控制系统(13)设置有模式切换犹豫时间，通过犹豫时间对压力传感器返回的数据进行瞬时极值抑制。
10.根据权利要求8所述的动态拉剪掘进钻头复合破岩方法，其特征在于：所述联合破岩模式具体步骤如下：冲击钻头先工作，然后旋转钻头旋转110°～115°，然后冲击钻头再冲击，依次循环。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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