CN115142793A - 激光机械联合钻具及激光机械联合钻进破岩试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光机械联合钻具及激光机械联合钻进破岩试验系统，包括钻管、激光机构、防护机构、液体清洁机构和气体清洁机构，钻管的端部设置有钻头，钻头上设置有通光孔，激光机构设置于钻管内，防护机构设置在钻管内并位于激光机构和钻头之间，且防护机构设置为单向开启以使激光机构和通光孔连通，液体清洁机构设置于钻管内并设置成向激光机构喷射液体，气体清洁机构设置于钻管内并设置成向激光机构喷射气体。本发明的激光机械联合钻具，通过防护机构能够保护激光机构，防护机构设置为单向开启，以保证在不使用激光时，激光机构不会受到岩屑、岩渣的破坏，液体清洁机构和气体清洁机构能够保证激光机构的清洁度，避免影响激光的传输。

Description

激光机械联合钻具及激光机械联合钻进破岩试验系统

技术领域

本发明属于钻进破岩技术领域，具体涉及一种激光机械联合钻具及激光机械联合钻进破岩试验系统。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。

当工程钻进装备遭遇高强度、高磨蚀性硬岩时，往往出现装备异常磨损、断裂、卡机卡钻现象，导致施工速度极为缓慢、效益极为低下的突出问题。例如在隧洞钻孔过程中，出现钻具异常抖动，需要耗时较长时间处理完成起钻，严重影响总体工期。

在众多新型破岩方式中，激光技术具有不受材料机械性能限制、钻孔速度快、效率高、经济效益好的特性，在石油工程领域已经有较为丰富的实践基础，被认为是一种极具潜力的辅助破岩方式。即便激光辅助破岩具有良好的前景，但仍存在振动导致钻孔方向偏移，影响工程施工精度的问题。

当激光在介质中传输时，一方面激光能量会被介质吸收，导致传输效率下降；另一方面携带岩屑、岩渣的介质回流导致激光头的损坏。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的第一方面提出了一种激光机械联合钻进破岩试验系统，包括：

钻管，所述钻管的端部设置有钻头，所述钻头上设置有通光孔；

激光机构，所述激光机构设置于所述钻管内；

防护机构，所述防护机构设置在所述钻管内并位于所述激光机构和所述钻头之间，且所述防护机构设置为单向开启以使所述激光机构和所述通光孔连通；

液体清洁机构，所述液体清洁机构设置于钻管内并设置成向所述激光机构喷射液体；

气体清洁机构，所述气体清洁机构设置于钻管内并设置成向所述激光机构喷射气体。

本发明的激光机械联合钻具，钻头的中心设置有通光孔，位于钻管内的激光机构在防护机构呈打开状态时，激光能够从钻管内发出并经由通光孔辐射到岩样上，在不需要发射激光时，防护机构关闭，切断激光的传输。通过防护机构能够保护激光机构，防护机构设置为单向开启，以保证在不使用激光时，激光机构不会受到岩屑、岩渣的破坏，也不会一直处于介质中进而导致传输效率降低。

在复杂钻进环境下，激光机构极易被粉尘、岩渣等杂质污染，导致激光传输效率下降，通过液体清洁机构和气体清洁机构对激光机构进行清洁，保证激光的高传输效率，且气体清洁能够将液体清洁留下的液体吹干，进一步提高了清洁效果。

在本发明的一些实施例中，所述钻管包括内管和外管，所述激光机构设置于所述内管内，所述钻头连接在所述外管的端部，所述内管设置于所述外管内，所述防护机构设置在所述内管和所述外管之间；

所述激光机构包括激光器、激光头和光纤，所述激光头连接在所述内管靠近所述钻头的一端，所述光纤经由所述内管连接所述激光头和所述激光器。

在本发明的一些实施例中，所述防护机构包括：

推管，所述推管设置在所述内管和所述外管之间；

单向挡片，所述单向挡片设置在所述推管靠近所述钻头的一端并呈密封状态，所述单向挡片设置为跟随所述推管向远离钻头的方向移动单向开启以使所述激光头和所述通光孔连通。

在本发明的一些实施例中，所述液体清洁机构设置于所述推管和所述内管之间内并设置成向所述激光头喷射液体，所述液体的喷射方向与所述激光头的激光的传输方向不共线，所述气体清洁机构设置于所述钻管内并设置成向所述激光头喷射气体，所述气体的喷射方向与所述激光头的激光的传输方向不共线。

在本发明的一些实施例中，所述液体清洁机构包括：

水箱，所述水箱用于盛放液体；

增压液体喷嘴，所述增压液体喷嘴通过增压液管与所述水箱连接，所述增压液体喷嘴的喷射方向与所述激光头的激光的传输方向不共线；

水泵，所述水泵设置成用于驱使所述水箱中的水流动至所述增压液体喷嘴处。

在本发明的一些实施例中，所述气体清洁机构包括：

气泵；

增压气体喷嘴，所述增压气体喷嘴通过增压气管与所述气泵连接，所述增压气管设置于所述内管和所述推管之间，所述增压气体喷嘴的喷射方向与所述激光头的激光的传输方向不共线；

气管，所述气管设置于所述内管内，且一端与所述气泵连接，另一端朝向所述激光头。

在本发明的一些实施例中，所述激光机械联合钻进破岩试验系统还包括冷却水管，所述冷却水管设置于所述内管内并与所述水箱连接，所述冷却水管设置成用于冷却所述激光头，所述水泵还设置成用于驱使所述水箱中的液体流动至所述冷却水管。

在本发明的一些实施例中，所述激光机械联合钻具还包括减振机构，所述减振机构设置于所述推管和所述外管之间，所述减振机构包括至少两个减振件，所述至少两个减振件间隔均匀设置在所述推管和所述外管之间并套设在所述推管的外侧，所述至少两个减振件与所述外管之间设置有间隙。

在本发明的一些实施例中，所述激光机械联合钻进破岩试验系统内还设置有排渣水管，所述排渣水管穿过所述减振机构并与所述水箱连通，所述排渣水管的出水端靠近所述通光孔设置，所述水泵还设置成用于驱使所述水箱中的液体流动至所述排渣水管并携带岩屑排出。

本发明的第二方面提出了一种石墨烯薄膜制备系统，包括上述任一技术方案中的激光机械联合钻进破岩试验系统，还包括驱动装置；

激光机械联合钻具，所述激光机械联合钻具连接在所述驱动装置的驱动端上；

夹持装置，所述夹持装置设置成用于固定岩样；

导向装置，所述导向装置位于所述夹持装置与所述激光机械联合钻具之间并与所述激光机械联合钻具限位配合；

调整装置，所述激光机械联合钻具和所述导向装置均连接在所述调整装置上，所述调整装置设置成用于改变所述激光机械联合钻具相对所述夹持装置的位置。

通过导向装置与激光机械联合钻具之间的限位配合，实现了导向装置对激光机械联合钻具在钻孔过程中的导向功能，限定了激光机械联合钻具的径向振动方向，减小了激光机械联合钻具在钻孔过程中的振动，进而减弱钻孔方向的偏移，提高工程施工精度，提高施工速度和效率。

导向装置位于夹持装置和激光机械联合钻具之间，能够缩短激光机械联合钻具的悬臂长度，悬臂长度与振动幅度的大小呈正相关性，通过导向装置进一步减小了激光机械联合钻具在钻孔过程中的振动，进而减弱钻孔方向的偏移，提高工程施工精度，提高施工速度和效率。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的激光机械联合钻进破岩试验系统的立体结构示意图；

图2为图1所示的调整装置的立体结构示意图；

图3为图1所示的调整装置和激光机械联合钻具的立体结构示意图；

图4为图1所示的激光机械联合钻具的剖视图；

图5为图4所示的A处的放大结构示意图；

图6为图4所示的排渣水管位于激光机械联合钻具内的剖视图；

图7为图6所示的排渣水管位于激光机械联合钻具内的侧视图。

附图中各标记表示如下：

1、基座；

2、调整装置；21、第一调整机构；22、第二调整机构；23、角度调整模块；24、第三调整机构；25、导向件；26、第一锁紧机构；211、第一直线导轨；212、电机；213、丝杠；221、底座；222、第一油缸；241、工作平台；242、第二直线导轨；243、第二油缸；

3、激光机械联合钻具；31、钻头；311、通光孔；32、钻管；321、外管；322、内管；331、推管；332、单向挡片；341、激光器；342、光纤；343、激光头；351、水箱；352、增压液体喷嘴；353、增压液管；354、水泵；361、气泵；362、增压气体喷嘴；363、增压气管；364、气管；371、减振件；381、冷却水管；

4、驱动装置；41、驱动件；42、传动组件；43、第二锁紧机构；

5、夹持装置；51、岩样基座；52、第一固定板；53、第二固定板；54、第一调节件；55、第二调整件；

61、排渣水管；62、排渣通道；

7、导向装置；

8、岩样；

9、钻孔壁。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图7所示，本发明提出了一种激光机械联合钻进破岩试验系统，包括：

驱动装置4；

激光机械联合钻具3，激光机械联合钻具3连接在驱动装置4的驱动端上；

夹持装置5，夹持装置5设置成用于固定岩样8；

导向装置7，导向装置7位于夹持装置5与激光机械联合钻具3之间并与激光机械联合钻具3限位配合；

调整装置2，激光机械联合钻具3和导向装置7均连接在调整装置2上，调整装置2设置成用于改变激光机械联合钻具3相对夹持装置5的位置。

通过导向装置7与激光机械联合钻具3之间的限位配合，实现了导向装置7对激光机械联合钻具3在钻孔过程中的导向功能，限定了激光机械联合钻具3的径向振动方向，减小了激光机械联合钻具3在钻孔过程中的振动，进而减弱钻孔方向的偏移，提高工程施工精度，提高施工速度和效率。

导向装置7位于夹持装置5和激光机械联合钻具3之间，能够缩短激光机械联合钻具3的悬臂长度，悬臂长度与振动幅度的大小呈正相关性，通过导向装置7进一步减小了激光机械联合钻具3在钻孔过程中的振动，进而减弱钻孔方向的偏移，提高工程施工精度，提高施工速度和效率。

通过调整装置2可以改变激光机械联合钻具3在空间的任意位置和任意角度，实现全方位、多角度连续钻进，以真实模拟地质钻机在硬岩环境下的钻进状态和钻进姿态。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，夹持装置5包括岩样8基座51、第一固定板52和夹持模块，第一固定板52连接在岩样8基座51上，第一固定板52设置成用于与岩样8的后侧抵接，夹持模块活动连接在岩样8基座51上，第一固定板52、夹持模块和岩样8基座51之间形成用于固定岩样8的空间。在钻孔过程中，岩样8保持不动能够提高钻孔的精度和速度，通过岩样8基座51、第一固定板52和夹持模块分别从不同方向对岩样8进行固定，具体地，将岩样8放入空间直角坐标系中，需要对岩样8的上侧、下侧、左侧、右侧、前侧和后侧分别进行固定，第一固定板52用于固定岩样8的后侧，岩样8基座51用于固定岩样8的下侧，夹持模块用于固定岩样8的左侧、右侧和上侧，激光机械联合钻具3从岩样8的前侧开始钻孔，岩样8在第一固定板52、岩样8基座51和夹持模块的固定下能够保持不动，避免钻孔的过程中钻孔方向偏移。

在本发明的一些实施例中，夹持模块与岩样8基座51活动连接，每一次进行钻孔的岩样8尺寸上存在差异，因此，将夹持模块设置为与岩样8基座51活动连接，可以根据岩样8的大小调节空间的大小，以使空间能够适应岩样8。夹持模块与岩样8基座51之间的活动连接可以是转动连接、滑动连接或通过标准件可拆卸连接。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，夹持模块包括第二固定板53和调节组件，第二固定板53设置成用于与岩样8的上侧抵接，第二固定板53通过调节组件与岩样8基座51活动连接，第一固定板52、第二固定板53、调节组件和岩样8基座51之间形成空间，调节组件用于固定岩样8的左侧和右侧。第二固定板53相对于岩样8基座51的位置是固定的，在其他实施例中，第二固定板53也可设置为与岩样8基座51活动连接，例如转动连接、滑动连接或通过标准件可拆卸连接。第二固定板53通过调节组件与岩样8基座51活动连接，第二固定板53与调节组件之间可以为固定连接，也可以为可拆卸连接，在一个实施例中，第二固定板53与调节组件之间为可拆卸连接。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，调节组件包括第一调节件54和第二调整件55，第一调节件54和第二调节件分别用于连接第二固定件的两端和岩样8基座51，即第一调节件54用于连接第二固定件的左侧和岩样8基座51的左侧，第二调节件用于连接第二固定件的右侧和岩样8基座51的右侧，且第一调节件54和第二调节件与第二固定件和基座1之间均为活动连接。在一个实施例中，第一调节件54和第二调节件为螺栓，第一调节件54和第二调节件与第二固定件之间均为可拆卸连接，第一调节件54和第二调节件与岩样8基座51之间均为可拆卸连接。

在本发明的一些实施例中，如图1至图3所示，激光机械联合钻进破岩试验系统还包括基座1，调整装置2连接在基座1上，基座1可以设置为移动式，即在基座1的底部设置有行走轮，通过行走轮的转动带动基座1移动，本实施例中的调整装置2、夹持装置5、驱动装置4、导向装置7等均设置于基座1上。

在本发明的一些实施例中，如图1至图3所示，调整装置2包括平面调整模块，平面调整模块连接在基座1上，激光机械联合钻具3连接在平面调整模块上，平面调整模块设置成用于改变激光机械联合钻具3相对夹持装置5在平面内的位置。平面调整模块可以调整一个方向上激光机械联合钻具3的位置，例如X方向上激光机械联合钻具3的位置，也可以调整两个方向上激光机械联合钻具3的位置，例如X方向上和Y方向上，或X方向上和Z方向上，或Y方向上和Z方向上激光机械联合钻具3的位置，还可以调整三个方向上激光机械联合钻具3的位置，例如X方向上、Y方向上和Z方向上激光机械联合钻具3的位置。位置的调整可以通过电机螺杆、气缸、液压缸、滚珠丝杠等方式实现。

在本发明的一些实施例中，如图1至图3所示，调整装置2还包括角度调整模块23，角度调整模块23连接在平面调整模块上，角度调整模块23设置成用于改变激光机械联合钻具3相对夹持装置5的角度。角度调整模块23可以调整一个平面内激光机械联合钻具3的角度，例如X-Y平面内激光机械联合钻具3的角度，也可以调整两个个平面内激光机械联合钻具3的角度，例如X-Y平面内和Y-Z平面内，或X-Y平面内和X-Z平面内，或X-Z平面内和Y-Z平面内激光机械联合钻具3的角度，还可以调整一个平面内激光机械联合钻具3的角度，例如X-Y平面内、Y-Z平面内和X-Z平面内激光机械联合钻具3的角度。

在本发明的一些实施例中，如图1至图3所示，平面调整模块包括至少两个平面调整机构，至少两个平面调整机构依次连接且一者连接在基座1上，激光机械联合钻具3连接在另一者上，至少两个平面调整机构设置成用于改变激光机械联合钻具3相对夹持装置5在不同平面内的位置。通过至少两个平面调整机构可以调整至少两个方向上，例如X方向上和Y方向上，或X方向上和Z方向上，或Y方向上和Z方向上，或X方向上、Y方向上和Z方向上激光机械联合钻具3的位置。

在本发明的一些实施例中，如图1至图3所示，在一个实施例中，平面调整模块包括三个平面调整机构。具体地，平面调整模块包括第一调整机构21、第二调整机构22和第三调整机构24，角度调整模块23可以连接在任意两个平面调整机构之间或平面调整模块连接在角度调整模块23上。在一个实施例中，第一调整机构21连接在基座1上，第一调整机构21设置成改变激光机械联合钻具3相对夹持装置5在第一平面内的位置，第二调整机构22连接在第一调整机构21上，角度调整模块23连接在第二调整机构22上，角度调整模块23设置成用于改变激光机械联合钻具3相对夹持装置5的角度，第二调整机构22设置成改变激光机械联合钻具3相对夹持装置5在第二平面内的位置，第三调整机构24连接在角度调整模块23上，激光机械联合钻具3连接在第三调整机构24上，第三调整机构24设置成改变激光机械联合钻具3相对夹持装置5在第三平面内的位置。

在本发明的一些实施例中，如图1至图3所示，第一调整机构21连接在基座1上，第一调整机构21包括两个第一直线导轨211、一个电机212和一个丝杠213，两个第一直线导轨211和一个电机212均连接在基座1上，丝杠213连接电机212和第二调整机构22。

在本发明的一些实施例中，如图1至图3所示，第二调整机构22包括底座221和两个第一油缸222，两个第一油缸222对称设置在底座221的两侧，底座221连接在丝杠213上并与两个第一直线导轨211滑动连接，两个第一油缸222连接连接在底座221上，通过电机212和丝杠213驱动底座221沿第一直线导轨211移动调整激光机械联合钻具3在第一平面内的位置。角度调整模块23设置有两个，两个角度调整模块23分别连接在两个第一油缸222上，第一油缸222带动角度调整模块23和第三调整机构24运动以调整激光机械联合钻具3在第二平面内的位置。更进一步地，平面调整模块还包括两个导向件25，两个导向件25连接在第二调整机构22的底座221的两侧上，第二调整机构22设置成沿导向件25运动。具体地，两个导向件25连接在底座221的两侧上，第一油缸222调整角度调整模块23和第三调整机构24在第二平面内的位置时，角度调整模块23和第三调整机构24的运动是沿着导向件25运动的，减少位置调整过程中的窜动，进而减少激光机械联合钻进破岩试验系统在钻孔过程中的钻具的窜动。更进一步地，平面调整模块还包括第一锁紧机构26，第一锁紧机构26与第二调整机构22连接并与导向件25滑动连接上，通过第一锁紧机构26进一步减少位置调整过程中的窜动，进而减少激光机械联合钻进破岩试验系统在钻孔过程中的钻具的窜动。

在本发明的一些实施例中，如图1至图3所示，第一锁紧机构26采用液压锁紧的方式，第一锁紧机构26套设在导向柱的外侧，通过调节供油压力，进而调节第一锁紧机构26对导向件25的锁紧力。当持续通入液压油时，油压升高，推动活塞向左移动，进而推动弧形锁紧箍夹紧立柱；当停止通入液压油时，油压下降，锁紧箍与导向件25之间的夹紧力消失，此时可通过第一油缸222对第三调整机构24进行位置调整。

在本发明的一些实施例中，如图1至图3所示，第三调整机构24包括工作平台241、第二直线导轨242和第二油缸243，工作平台241连接在角度调整模块23上，第二直线导轨242和第二油缸243连接在工作平台241上，激光机械联合钻具3滑动连接在第二直线导轨242上，通过第二油缸243调整激光机械联合钻具3在第三平面内的位置。导向装置7连接在第三调整机构24上，导向装置7上设置有导向孔，激光机械联合钻具3与导向孔限位配合。更进一步地，导向装置7连接在工作平台241上，导向装置7跟随激光机械联合钻具3的调整同步运动，保证导向装置7与激光机械联合钻具3的相对位置不发生变化。通过平面调整模块和角度调整模块23能够实现激光机械联合钻进破岩试验系统在岩样8上进行全方位、多角度连续钻孔，以真实模拟地质钻机在硬岩环境下的钻进状态和钻进姿态。

在本发明的一些实施例中，如图1、图4和图5所示，在对岩样8钻孔的过程中，激光的传输效率影响钻孔的精度，因此，需要保证激光的传输不受到影响。激光机械联合钻具3包括钻管32、激光机构和防护机构，钻管32的端部设置有钻头31，钻头31上设置有通光孔311，钻管32与导向装置7限位配合，激光机构设置于钻管32内，防护机构设置在钻管32内并位于激光机构和钻头31之间，且防护机构设置为单向开启以使激光机构和通光孔311连通。通过防护机构能够保护激光机构，防护机构设置为单向开启，以保证在不使用激光时，激光机构不会受到岩屑、岩渣的破坏。钻头31的中心设置有通光孔311，位于钻管32内的激光机构在防护机构呈打开状态时，激光能够从钻管32内发出并经由通光孔311辐射到岩样8上，在不需要发射激光时，防护机构关闭，切断激光的传输。通光孔311的直径大于等于激光机构的激光束的直径。

在本发明的一些实施例中，如图1、图4和图5所示，钻管32包括内管322和外管321，激光机构设置于内管322内，内管322与驱动装置4固定连接，钻头31连接在外管321的端部，内管322设置于外管321内，外管321连接在驱动装置4的输出端上并与导向装置7限位配合，防护机构设置在内管322和外管321之间。钻头31与外管321的端部之间可拆卸连接，以便于更换不同规格的钻头31。内管322与驱动装置4固定连接，即不随着驱动装置4而旋转，外管321在驱动装置4的驱动下旋转以带动钻头31完成钻孔工作，解决了现有技术不支持激光机构的插拔、滑动接触不良等问题。

在本发明的一些实施例中，如图1、图4和图5所示，激光机构包括激光器341、激光头343和光纤342，激光头343连接在内管322靠近钻头31的一端，光纤342经由内管322连接激光头和激光器341。防护机构包括推管331和单向挡片332，推管331设置在内管322和外管321之间，单向挡片332设置在推管331靠近钻头31的一端并呈密封状态，单向挡片332设置为跟随推管331向远离钻头31的方向移动单向开启以使激光机构和通光孔311连通。激光机构在推管331内可自由移动，不与推管331和外管321之间发生干涉，由于内管322与驱动装置4固定连接，无法移动，因此将推管331设置为可移动式，当推管331向远离钻头31的方向移动，因内管322不动，激光头343能够将单向挡片332顶开，激光能够通过通光孔311辐射到岩样8上，当推管331向靠近钻头31的方向移动，单向挡片332能够自动关闭，单向挡片332与推管331形成对激光机构的密封保护罩。单向挡片332的自动关闭可以通过弹性件实现，例如柱状弹簧、扭簧等。激光器341设置在基座1上，通过光纤342将激光器341产生的激光传输至激光头343，在激光头343的内部光学组件的作用下形成激光束，再由激光头343射出，通过通光孔311辐射到岩样8上。

在本发明的一些实施例中，单向挡片332可以为双开式的挡片，也可以为单开式的挡片。

在本发明的一些实施例中，除了通过防护机构保护激光机构外，在钻孔中产生的岩屑、岩渣、灰尘等也会造成激光头343的损坏。如图1、图4和图5所示，激光机械联合钻具3还包括液体清洁机构，液体清洁机构设置于推管331和内管322之间内并设置成向激光机构喷射液体，液体的喷射方向与激光头343的激光的传输方向不共线。通过液体清洁机构在复杂钻进环境下，激光头343不易因粉尘、岩渣等杂质污染，不会导致激光束的传输效率下降。更进一步地，液体清洁机构包括水箱351、增压液体喷嘴352和水泵354，水箱351用于盛放液体，增压液体喷嘴352通过增压液管353与水箱351连接，增压液体喷嘴352的喷射方向与激光头343的激光的传输方向不共线，水泵354设置成用于驱使水箱351中的水流动至增压液体喷嘴352处。更进一步地，增压液体喷嘴352的喷射方向朝向激光头343，使通过增压液体喷嘴352喷出的液体有针对性地喷向激光头343，提高清洁效果。

在本发明的一些实施例中，除了通过液体对激光头343进行清洁外，还可以通过气体清洁机构对激光头343进行清洁。如图1、图4和图5所示，具体地，激光机械联合钻具3还包括气体清洁机构，气体清洁机构设置于钻管32内并设置成向激光机构喷射气体，气体的喷射方向与激光头343的激光的传输方向不共线。更进一步地，气体清洁机构包括气泵361、增压气体喷嘴362和气管364，增压气体喷嘴362通过增压气管363与气泵361连接，增压气管363设置于内管322和推管331之间，增压气体喷嘴362的喷射方向与激光头343的激光的传输方向不共线，气管364设置于内管322内，且一端与气泵361连接，另一端朝向激光头343。将气体分为两路，第一路气体经过气管364传输的气体一方面用于吹走激光头343发出的激光束通路上的灰尘等杂质，减少激光束在传输过程中的能量损耗，提高激光的传输效率；另一方面，在激光照射过程中，防止空气中的灰尘、岩屑等吸附到激光头343上，引起激光头343的烧损。第二路气体经过增压气管363传输到增压气体喷嘴362，配合增压液体喷嘴352清洁激光头343上吸附的灰尘等杂质，避免激光开启照射时造成激光头343烧损。

在本发明的一些实施例中，增压气体喷嘴362的喷射方向朝向激光头343，使通过增压液体喷嘴352喷出的液体有针对性地喷向激光头343，提高清洁效果。

在本发明的一些实施例中，如图1、图4和图5所示，激光机械联合钻具3内还设置有冷却水管381，冷却水管381设置于内管322内并与水箱351连接，冷却水管381设置成用于冷却激光机构，水泵354还设置成用于驱使水箱351中的液体流动至冷却水管381。通过冷却水管381对激光机构进行冷却，降低激光机构长时间使用后因过热导致烧毁。

在本发明的一些实施例中，如图1、图4、图5和图6所示，激光头343极其精密，在振动冲击下极易损坏或失效，因此，激光机械联合钻具3还包括减振机构，减振机构设置于推管331和外管321之间。减振机构包括至少两个减振件371，至少两个减振件371间隔均匀设置在推管331和外管321之间并套设在推管331的外侧，至少两个减振件371与外管321之间设置有间隙。减振件371采用柔性材质，例如橡胶、硅胶、海绵等材质。至少两个减振件371一方面减小了激光头343的悬臂长度，另一方面因其自身材料属性也可吸收振动，能大大减小激光机械联合钻具3传递给激光头343的振动，从而起到了减振作用，避免在振动冲击下造成激光头343的损坏或失效。

在本发明的一些实施例中，如图1、图4、图5和图6所示，激光机械联合钻具内3还设置有排渣水管61，排渣装置设置于推管331和外管321之间并设置成用于输送液体并携带岩屑排出，排渣水管61穿过减振机构并与水箱351连通，排渣水管61的出水端靠近通光孔设置，外管321与岩样8的钻孔壁9之间形成排渣通道62，水泵354还设置成用于驱使水箱351中的液体流动至排渣水管61并携带岩屑排出。水泵354从水箱351抽取液体传输至排渣水管61，排渣水管61从减振件371中穿过并输送至钻头31，随即液体从钻头31中心的通光孔311传输至岩样8，并携带钻孔破碎产生的岩渣、岩屑等经钻孔壁9与外管321间的排渣通道62排出，最终实现钻进过程中的循环自动排渣。

在本发明的一些实施例中，如图1和图3所示，驱动装置4包括驱动件41和传动组件42，传动组件42连接在第三调整机构24上，驱动件41通过传动组件42与激光机械联合钻具3连接以驱动激光机械联合钻具3转动。激光机械联合钻进破岩试验系统还包括第二锁紧机构43，第二锁紧机构43与激光机械联合钻具3连接并与传动组件42连接，第二锁紧机构43将激光机械联合钻具3锁紧，第二锁紧机构43的原理与第一锁紧机构26的原理相同，并在驱动件41配合传动组件42带动作用下实现激光机械联合钻具3的旋转，第二油缸243为激光机械联合钻具3提供推力，进而实现了激光机械联合钻具3旋转推进破岩。

本发明提供的激光机械联合钻进破岩试验系统充分考虑了工程钻机钻进高强度、高磨蚀性硬岩时出现的钻进速度慢、钻具磨损严重等实际问题，提出了采用激光机械联合钻具3的破岩系统，解决了激光在工程钻机搭载时出现的激光头343防护、清洁及抗振等技术问题，在满足连续钻进、自动循环出渣的基础上实现了激光机械联合钻具3的位置和角度的调整，能够真实模拟工程地质钻机钻进状态和钻进姿态。

通过水泵354使液体经过排渣水管61喷射在激光机械联合钻具3前方冲洗岩屑。推管331布置在外管321和内管322之间，推管331前端设置有可向外“双开式”的单向挡片332，当推管331向后移动时，激光头343将单向挡片332从中间位置顶开，进行激光辅助破岩，当推管331向前移动时，单向挡片332自动紧闭封闭，与推管331形成密闭保护罩，一方面，避免激光头343在破岩过程中岩渣通过通光孔311进入损坏激光头343，另一方面，密闭空间避免了激光头343浸没在液体中污染激光头343，起到钻进过程中激光头343的防护作用。

在激光辐照前方岩样8时，空气中的灰尘和污垢容易附着在激光头343上，在激光工作时极易造成激光头343的灼烧损坏。本实施例先用液体冲洗，在激光机械联合钻具3旋转推进破除岩样8时，通过水泵354、增压液管353传输经过增压的液体，经增压液体喷嘴352喷射到激光头343，增压液体喷嘴352倾斜向下指向激光头343，主要作用是清洗激光头343上附着的灰尘和污垢；然后用气体吹干的方式进行激光头343的二次清洁，停止输送经过增压的液体，增压气管363传输经过增压的气体，经增压气体喷嘴362喷射到激光头343，增压气体喷嘴362倾斜向下指向激光头343，主要作用是清洗残留在激光头343上的水珠，以保持激光头343的清洁和干燥。

由于内管322后端与驱动装置4固定连接，且内管322长细比较大，整体为柔度较大的悬臂结构。在激光机械联合钻具3钻进破除前方岩样8时，由于受力不均产生的横向和纵向振动会经过外管321传递到激光机械联合钻进破岩试验系统，从而引起内管322的振动。当振动传递到激光头343时，会被放大若干倍，对激光头343内部光学组件产生巨大影响，甚至损坏激光头343内部光学组件。减振件371内侧嵌套在内管322外壁上，外侧靠近外管321内壁但不与其接触。当激光机械联合钻具3在旋转推进破除岩样8时，至少两个减振件371一方面可以减小激光头343的悬臂长度，另一方面因减振件371自身材料属性可以吸收振动，从而大大减小钻进过程中传递到激光头343的振动，起到有效的减振作用。

本实施例可进行多种破岩试验，包括以下测试方式：

(1)将激光机械联合钻具3内的激光器341关闭，仅通过钻头31旋转推进破岩，钻管32内传输液体进行排渣，此时单向挡片332处于闭合状态，并与推管331形成密封保护罩，仅利用钻头31进行机械钻进破岩测试；

(2)将第二油缸243和驱动件41关闭，停止钻头31旋转推进破岩，推管331带动单向挡片332向远离钻头31的方向移动，此时激光头343顶开单向挡片332，同时打开激光机械联合钻具3的激光器341，激光经光纤342传输并由激光头343输出，辐射到岩样8上，此时仅利用激光进行破岩测试；

(3)推管331带动单向挡片332向远离钻头31的方向移动，激光头343顶开单向挡片332，打开激光器341，光经光纤342传输并由激光头343输出并由激光头343输出，辐射到岩样8上，同时打开第二油缸243和驱动件41，驱动钻头31旋转推进破岩，此时进行激光机械联合钻进破岩测试；

更进一步地，上述测试又可以细分为以下测试类型：

(1)激光机械预损伤钻进破岩：测试中首先使用激光在岩样8表面形成预损伤区，例如熔融孔洞、热裂纹等，再由钻头31进行旋转推进破除岩石。推管331带动单向挡片332向远离钻头31的方向移动，激光头343顶开单向挡片332，同时打开激光器341，激光经光纤342传输并由激光头343输出，辐射到岩样8上，岩样8在激光的高温作用下发生熔融和汽化，同时岩石内部因热应力作用产生微裂纹和裂隙，在岩样8表面产生预损伤，如熔融孔洞、热裂纹网等；激光照射一定时间后，将激光器341关闭，推管331带动单向挡片332向靠近钻头31的方向移动，单向挡片332自动闭合，与推管331形成密封保护罩。钻杆内传输液体进行排渣，同时开启第二油缸243和驱动件41，驱动钻头31旋转推进破岩。

(2)激光机械同步钻进破岩：激光与钻头31同时作用于岩样8表面，一方面岩样8因激光的高温达到熔点(沸点)从而熔融(汽化)，另一方面激光照射位置与钻头31作用位置距离相近，高温产生的热应力配合由钻头31产生的拉压应力形成明显的应力耦合区，达到联合破岩的目的。推管331带动单向挡片332向远离钻头31的方向移动，激光头343顶开单向挡片332，打开激光器341进行激光照射，同时将第二油缸243和驱动件41开启，驱动钻头31旋转推进破岩，激光机械联合钻具3配合工作，进行激光机械联合钻进破岩测试；

作为进一步的限定，为了验证激光辅助机械钻具钻进的优越性与工程实用性，可以将上述的激光机械联合钻进破岩试验方法与仅使用机械钻具钻进破岩试验方法进行对比：

(1)以恒定的扭矩与推力进行破岩试验，对比激光机械联合钻进破岩速率与仅使用机械钻具钻进速率差异，以研究联合钻进速度的优越性：在第二油缸243内布置位移传感器和推力传感器，在钻杆处布置扭矩传感器，用以实时监测钻机钻进过程中的位移变化量、推力和扭矩，通过第二油缸243设定施加在激光机械联合钻具3上的恒定推进力，通过驱动件41设定恒定的扭矩；开启激光器341，配合钻头31进行激光机械联合钻进试验，获取联合钻进试验下的钻进速率；关闭激光器341，只通过钻头31进行机械钻进试验，获取机械钻进试验下的钻进速率；对比两种钻进模式下的钻进速率差异，研究激光辅助作用下联合钻进的优越性。

(2)以恒定的转速和推进速度进行破岩试验，对比激光机械联合钻进破岩与仅使用机械钻具钻进破岩在所需推力和扭矩方面的差异，以研究联合钻进的工程实用性:通过第二油缸243和驱动件41设定恒定的钻头31转速与推进速度，控制激光器341的开启与关闭，实现激光机械联合钻进试验和机械钻具钻进试验；在第二油缸243内布置位移传感器和推力传感器，在钻杆处布置扭矩传感器，用以实时监测钻机钻进过程中的位移变化量、推力和扭矩，对比激光机械联合钻进与仅使用钻头31进行机械钻进所需的破岩推力和扭矩，研究激光辅助作用下联合钻进的工程实用性。

上述测试方法中，可更换不同型号的激光头343以此改变激光的能量分布形式、改变激光头343与钻头31的相对位置调整光斑直径、切换激光器341类型实现连续激光和脉冲激光转换，调节激光器341以设定不同的激光破岩参数、更换激光机械联合钻具3中钻头31和钻杆的材料、结构、尺寸等参数，增加钻进破岩试验的多样性，此外激光机械预损伤破岩与激光机械同步破岩方法还可以混合使用。

上述测试方法中，可更换不同型号的激光头343以此改变激光的能量分布形式、改变激光头343与钻头31的相对位置调整光斑直径、切换激光器341类型实现连续激光和脉冲激光转换，调节激光器341以设定不同的激光破岩参数、更换激光机械联合钻具3中钻头31和钻杆的材料、结构、尺寸等参数，增加钻进破岩试验的多样性，此外激光机械预损伤破岩与激光机械同步破岩方法还可以混合使用。以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种激光机械联合钻具，其特征在于，包括：

钻管，所述钻管的端部设置有钻头，所述钻头上设置有通光孔；

激光机构，所述激光机构设置于所述钻管内；

防护机构，所述防护机构设置在所述钻管内并位于所述激光机构和所述钻头之间，且所述防护机构设置为单向开启以使所述激光机构和所述通光孔连通；

液体清洁机构，所述液体清洁机构设置于钻管内并设置成向所述激光机构喷射液体；

气体清洁机构，所述气体清洁机构设置于钻管内并设置成向所述激光机构喷射气体。

2.根据权利要求1所述的激光机械联合钻具，其特征在于，所述钻管包括内管和外管，所述激光机构设置于所述内管内，所述钻头连接在所述外管的端部，所述内管设置于所述外管内，所述防护机构设置在所述内管和所述外管之间；

所述激光机构包括激光器、激光头和光纤，所述激光头连接在所述内管靠近所述钻头的一端，所述光纤经由所述内管连接所述激光头和所述激光器。

3.根据权利要求2所述的激光机械联合钻具，其特征在于，所述防护机构包括：

推管，所述推管设置在所述内管和所述外管之间；

单向挡片，所述单向挡片设置在所述推管靠近所述钻头的一端并呈密封状态，所述单向挡片设置为跟随所述推管向远离钻头的方向移动单向开启以使所述激光头和所述通光孔连通。

4.根据权利要求3所述的激光机械联合钻具，其特征在于，所述液体清洁机构设置于所述推管和所述内管之间内并设置成向所述激光头喷射液体，所述液体的喷射方向与所述激光头的激光的传输方向不共线，所述气体清洁机构设置于所述钻管内并设置成向所述激光头喷射气体，所述气体的喷射方向与所述激光头的激光的传输方向不共线。

5.根据权利要求4所述的激光机械联合钻具，其特征在于，所述液体清洁机构包括：

水箱，所述水箱用于盛放液体；

增压液体喷嘴，所述增压液体喷嘴通过增压液管与所述水箱连接，所述增压液体喷嘴的喷射方向与所述激光头的激光的传输方向不共线；

水泵，所述水泵设置成用于驱使所述水箱中的水流动至所述增压液体喷嘴处。

6.根据权利要求5所述的激光机械联合钻具，其特征在于，所述气体清洁机构包括：

气泵；

增压气体喷嘴，所述增压气体喷嘴通过增压气管与所述气泵连接，所述增压气管设置于所述内管和所述推管之间，所述增压气体喷嘴的喷射方向与所述激光头的激光的传输方向不共线；

气管，所述气管设置于所述内管内，且一端与所述气泵连接，另一端朝向所述激光头。

7.根据权利要求5所述的激光机械联合钻具，其特征在于，所述激光机械联合钻具还包括冷却水管，所述冷却水管设置于所述内管内并与所述水箱连接，所述冷却水管设置成用于冷却所述激光头，所述水泵还设置成用于驱使所述水箱中的液体流动至所述冷却水管。

8.根据权利要求5所述的激光机械联合钻具，其特征在于，所述激光机械联合钻具还包括减振机构，所述减振机构设置于所述推管和所述外管之间，所述减振机构包括至少两个减振件，所述至少两个减振件间隔均匀设置在所述推管和所述外管之间并套设在所述推管的外侧，所述至少两个减振件与所述外管之间设置有间隙。

9.根据权利要求8所述的激光机械联合钻具，其特征在于，所述激光机械联合钻具内还设置有排渣水管，所述排渣水管穿过所述减振机构并与所述水箱连通，所述排渣水管的出水端靠近所述通光孔设置，所述水泵还设置成用于驱使所述水箱中的液体流动至所述排渣水管并携带岩屑排出。

10.一种激光机械联合钻进破岩试验系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的激光机械联合钻具，还包括：

驱动装置；

激光机械联合钻具，所述激光机械联合钻具连接在所述驱动装置的驱动端上；

夹持装置，所述夹持装置设置成用于固定岩样；

导向装置，所述导向装置位于所述夹持装置与所述激光机械联合钻具之间并与所述激光机械联合钻具限位配合；

调整装置，所述激光机械联合钻具和所述导向装置均连接在所述调整装置上，所述调整装置设置成用于改变所述激光机械联合钻具相对所述夹持装置的位置。

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