CN115949351A - 一种基于激光辅助帷幕成形的钻孔稳定系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于激光辅助帷幕成形的钻孔稳定系统及方法，系统：激光发射器通过远距离激光传输光纤和激光头连接；喷气嘴安装在激光头的外表面，气泵的进气口与高压氮气瓶的出气嘴连接，气泵的出气口通过气路输送管道与喷气嘴连接；电磁阀的进液端与水源连接，其出液端通过水路输送管道与雾化喷嘴连接，雾化喷嘴安装在激光头的表面；温度传感器贴合地安装在激光头的外表面；激光设备保护装置固定套装在激光头的外部；自动抽绳装置中的吊绳驱动机构通过吊绳与激光头连接。方法：利用激光辐射作用进行钻孔；利用辅助气流清孔；利用水冷却钻孔；改变作业位置直至完成整个钻孔作业。该系统及方法人员需求数量少，作业效率高，有利于形成稳定性更好的钻孔。

Description

一种基于激光辅助帷幕成形的钻孔稳定系统及方法

技术领域

本发明属于矿山建设工作技术领域，具体是一种基于激光辅助帷幕成形的钻孔稳定系统及方法。

背景技术

随着国内外矿山逐渐进入深部开采阶段，深部高应力状态下的硬岩强度相比浅部的岩体有了显著的提升，深部钻孔会遇到以下几个难题；一是存在钻头磨损的问题。当钻头磨损到一定程度需要进行更换，而钻头的更换时间会随着开采深度的增加而增加，同时，在每次更换过程中，必须将整个钻柱都取下来才能进行更换作业，因此孔越深，更换时间就越长。此外，随着井深的增加，作业人员越来越难以判断钻头的磨损程度和更换的时间，因此在何时拔出和更换钻头方面是一个较大的难题。二是存在摩擦损失的问题。在作业过程中，钻柱的重量和钻孔摩擦力的影响会越来越大，这导致随着钻取深度的增加，控制钻头力度的难度会越来越大。并且随着开采深度的增加，钻得越深，就越难知道后续会遇到什么样的岩石和压力，这对保持钻孔的稳定性具有很大挑战性。激光破岩技术的出现和发展给硬岩钻破提供了一种新的思路和方法。实验研究表明：在高能激光的辐射下，岩石表面温度急剧上升，会造成岩石热破裂、熔化和汽化现象，并通过促进裂隙的产生显著地降低岩石的强度。现阶段，学者正积极探索激光技术用于辅助钻孔的理论与技术。值得注意的是，高能激光辐射岩石时产生的熔融物和高温蒸汽在辅助气流冲吹作用和水流的冷却作用下，会在岩石烧结的内部产生明显的一种帷幕状态。大量研究表明，在高能激光对岩石的辐射下出现的小孔，小孔周围重凝的玻璃质形成类似火山口的形貌并且在钻孔内部还附着着丰富的玻璃态物质极大的加强了钻孔的稳定性。鉴于现存的激光破岩方案，并没有将激光辐射岩石所产生的帷幕状孔洞进行利用，并且随着矿山的深部开采，利用普通激光设备进行矿山深部钻孔时，由于深度和岩层硬度的原因，高压气流已经很难将激光辐射所产生的熔融物吹走，反而会造成钻孔作业的阻碍。因此，亟需提供一种能够能够辅助帷幕成形的钻孔稳定方法。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于激光辅助帷幕成形的钻孔稳定系统及方法，该系统统结构合理，稳定性好，经济效益好，不仅成高效的进行钻孔的钻取作业，还能极大的提高钻孔的稳定性。该方法自动化程度较高，人员需求数量少，作业效率高，并能够有效降低人工干预对钻孔过程的影响，有利于形成稳定性更好的钻孔。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于激光辅助帷幕成形的钻孔稳定系统，包括远距离光纤传送单元、水路控制单元、辅助气流清岩单元、温度传感器、激光设备保护装置、自动抽绳装置和控制器；

所述远距离光纤传送单元由激光发射器、远距离激光传输光纤和激光头组成；所述激光发射器通过远距离激光传输光纤和激光头连接；所述激光发射器用于提供钻孔的能量来源，所述远距离激光传输光纤用于提供激光通路，所述激光头用于输出激光进行钻孔作业；

所述水路控制单元由电磁阀、水路输送管道、雾化喷嘴和水量显示器组成；所述电磁阀的进液端与水源连接，其出液端通过水路输送管道与雾化喷嘴连接，所述雾化喷嘴呈环形，其下环面上遍布地开设有若干雾化喷孔，雾化喷嘴套装在激光头的外表面；所述水量显示器串接在水路输送管道上；

所述辅助气流清岩单元由喷气嘴、高压氮气瓶、气泵和气路输送管道组成，所述喷气嘴呈环形，其下环面上开设有环形的出气口，喷气嘴套装在雾化喷嘴的外表面，所述气泵的进气口与高压氮气瓶的出气嘴连接，气泵的出气口通过气路输送管道与喷气嘴连接，气泵上装配有气压计；

所述温度传感器贴合地安装在激光头的外表面；

所述激光设备保护装置固定套装在激光头的外部；

所述自动抽绳装置中具有吊绳驱动机构，吊绳驱动机构通过吊绳与激光头连接，吊绳驱动机构用于驱动吊绳向外部伸出或向回收缩；

所述控制器分别与激光发射器、气泵、电磁阀、水量显示器、温度传感器和自动抽绳装置连接。

作为一种优选，所述控制器为PLC控制器。

作为一种优先，所述水路输送管道为高压输水软管。

本发明中，利用远距离激光传输光纤连接激光发射器和激光头，可以有效确保激光头能够在距离激光发射器较远的位置进行辐射作业。利用激光作为钻孔的能量来源，有效避免了钻头发生磨损的情况，并避免了钻头更换的工序。在激光头处安装喷气嘴，并在高压氮气瓶与喷气嘴之间加设气泵，可以更好的为钻孔作业提供稳定的高压氮气流，从而能更高效的将激光辐射过程中产生的熔融的岩石颗粒吹出，从而有利于更快速的成孔。在气泵上装配有气压计，有利于实时获知压力情况。在激光头处安装雾化喷嘴，并利用电磁阀对雾化喷嘴的供水进行通过控制，可以在钻孔作业过程中，方便的利用雾化水来对钻孔进行冷却，从而可以在钻孔内壁上形成一层致密的结晶帷幕状，这样能有效的提高孔洞的稳定性。通过在激光头处安装温度传感器，能够便于实时的采集钻孔内的温度，进而能够获得帷幕形成之后的最佳的温度，这样，便能在激光头最容易移动时方便的利用自动抽绳装置来带动激光头进行移动。通过自动抽绳装置的设置，能通过对吊绳的控制来带动激光头位置的改变，进而有助于自动化的实现激光头位置的精确控制。通过在水路输送管道上串接水量显示器，能够方便的获知钻孔内部水量的注入情况。通过激光设备保护装置的设置，可以有效确保激光头在钻孔内作业的过程中不会受到孔洞周围凹凸不平岩石的损坏。该系统结构合理，稳定性好，经济效益好，不仅成高效的进行钻孔的钻取作业，还能极大的提高钻孔的稳定性。

本发明还提供了一种基于激光辅助帷幕成形的钻孔稳定方法，包括以下步骤，

步骤一：在地面布置激光发射器、高压氮气瓶、气泵和自动抽绳装置；

步骤二：利用远距离激光传输光纤建立激光发射器和激光头的光路连接；利用气路输送管道建立气泵与喷气嘴的连接；利用水路输送管道建立电磁阀和雾化喷嘴的连接；利用吊绳建立自动抽绳装置中吊绳驱动机构和激光头的连接；

步骤三：通过控制器控制自动抽绳装置中的吊绳驱动机构动作，使吊绳以设定的速度向外部放出，并利用吊绳将激光头放至井下作业位置；

步骤四：接通激光发射器和自动抽绳装置的电源，对激光发射器和自动抽绳装置进行调试；

步骤五：通过控制器控制激光发射器工作一定时间，该过程中，利用远距离激光传输光纤使产生的激光光束传送至井下的激光头，再通过激光头使激光发射出并以一定距离聚焦在岩石上，利用激光辐射作用使岩石局部的温度骤然升高，通过高温熔化岩石局部并形成气液两相混合物；

步骤六：通过控制器控制气泵工作一定时间，利用气路输送管道将高压气流输送至激光头外围的喷气嘴，再通过喷气嘴将高压气流喷射到钻孔内部，将产生的气液两相混合物吹走，使钻孔快速成形；

步骤七：通过控制器控制电磁阀打开一定时间，利用水路输送管道将水输送至雾化喷嘴中，并通过雾化喷嘴喷到刚形成的钻孔中，对钻孔内部进行冷却，并于该作业位置的钻孔孔壁上形成致密结晶状的帷幕；

步骤八：在形成帷幕状态后利用温度传感器实时采集该作业位置钻孔内的温度信号，并反馈给控制器，当温度达到设定温度时，控制器控制自动抽绳装置中的吊绳驱动机构动作，使吊绳向外部放出一定的长度，并利用吊绳将激光头下放到下一作业位置；

步骤九：多次重复步骤五至步骤八，直至完成整个钻孔的钻取作业，获得激光辐射形成的钻孔，该过程中，通过激光的辐射作用和水冷却的共同作用，促使整个钻孔孔壁表面呈现致密结晶状，从而在整个钻孔的内壁形成一种帷幕状态，以使形成的钻孔稳定性更强；

步骤十：通过控制器控制自动抽绳装置中吊绳驱动机构动作，使吊绳向上收缩，并利用吊绳将激光头移出钻孔。

作为一种优选，在步骤四中，在调试过程中，对激光发射器的辐射功率P、脉冲频率F和焦距L进行参数设置，对自动抽绳装置的吊绳收放速度V进行参数设置。

进一步，为了更精确的控制注水量，在步骤七中，通过串接在水路输送管道上的水量显示器对钻孔内的注水量进行实时查看。

本发明中，通过远距离激光传输光纤将激光光束输送至井下的激光头，再通过激光头以一定距离将激光发射出去，便可以采用非接触式的辐射工艺进行高效的钻孔作业，这样，能有效避免钻头磨损的情况发生，进而可以省却更换钻头的繁琐工序，并节约了更换钻头所产生的费用。同时，利用激光作为钻孔的能量来源，能将钻孔作业对岩石的破坏限制在表层，从而对岩体整体结构的扰动较小，能更有利于形成稳定的钻孔。利用激光辐射深部岩层中的软弱夹层，使岩石局部温度骤然升高，进而发生热破裂、熔化，甚至汽化的现象，这样，便能通过高温条件将作用位置中心的岩石熔化变为气液两相的混合物，同时，激光辐射还能对作用位置的周围岩石有一定的固结作用，从而有利于形成稳定的钻孔；利用辅助气流将产生的高温熔融物和等离子体蒸汽等混合物清理出融蚀孔，能便于快速的形成钻孔；利用注水喷雾的方式对钻孔内部进行冷却，有助于让岩石产生迸射效应，进而能够产生高压蒸汽，从而能够通过高压热应力的方式使孔内的岩石快速发生破裂，起到了辅助破岩的效果，进一步提高了成孔效率；利用自动抽绳装置对激光头移动过程的控制，可以快速准确的改变作业位置，有利于更快速的完成钻孔作业。由于激光在水雾环境下对岩石的熔化效应更好，因而有利于进一步提高成孔效率，同时，由于水冷却的作用，能钻孔内壁上形成一层致密的结晶帷幕状，这样所形成的钻孔较普通钻孔的稳定性更强，进而有效的提高了孔洞的稳定性。这样，通过激光辐射和水冷却的共同作用，在钻孔作业的同时，能在钻孔内壁上形成璃态高强度的“护管”，便起到了软弱岩层区域的加固效应。利用温度传感器采集帷幕状态形成之后的温度信号，有利于及时获得最佳移动温度，从而能使激光头在钻孔内更容易的进行移动。

本方法自动化程度较高，人员需求数量少，作业效率高，并能够有效降低人工干预对钻孔过程的影响，有利于形成稳定性更好的钻孔，尤其适用于矿山深部硬岩钻破工作时使用。

附图说明

图1是本发明中系统的结构示意图；

图2是本发明中激光头、喷气嘴及雾化喷嘴的装配示意图。

图中：1、激光辐射形成的钻孔；2、辅助气流清岩单元；3、激光设备保护装置；4、水路输送管道；5、远距离激光传输光纤；6、吊绳；7、水量显示器；8、电磁阀；9、激光发射器；10、自动抽绳装置；11、温度传感器；2-1、激光头；2-2、喷气嘴；4-1、雾化喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，一种基于激光辅助帷幕成形的钻孔稳定系统，包括远距离光纤传送单元、水路控制单元、辅助气流清岩单元2、温度传感器11、激光设备保护装置3、自动抽绳装置10和控制器；

所述远距离光纤传送单元由激光发射器9、远距离激光传输光纤5和激光头2-1组成；所述激光发射器9通过远距离激光传输光纤5和激光头2-1连接；所述激光发射器9用于提供钻孔的能量来源，所述远距离激光传输光纤5用于提供激光通路，所述激光头2-1用于输出激光进行钻孔作业；作为一种优选，远距离激光传输光纤5为单模光纤，这样可有效确保光信号能在120Km的范围内进行低损耗的传输。

所述水路控制单元由电磁阀8、水路输送管道4、雾化喷嘴和水量显示器7组成；所述电磁阀8的进液端与水源连接，其出液端通过水路输送管道4与雾化喷嘴4-1连接，所述雾化喷嘴4-1呈环形，其下环面上遍布地开设有若干雾化喷孔，雾化喷嘴4-1套装在激光头2-1的外表面；所述水量显示器7串接在水路输送管道4上；

所述辅助气流清岩单元2由喷气嘴2-2、高压氮气瓶、气泵和气路输送管道组成，所述喷气嘴2-2呈环形，其下环面上开设有环形的出气口，喷气嘴2-2套装在雾化喷嘴4-1的外表面，所述气泵的进气口与高压氮气瓶的出气嘴连接，气泵的出气口通过气路输送管道与喷气嘴2-2连接，气泵上装配有气压计；

所述温度传感器11贴合地安装在激光头2-1的外表面；

所述激光设备保护装置3固定套装在激光头2-1的外部；

所述自动抽绳装置10中具有吊绳驱动机构，吊绳驱动机构通过吊绳6与激光头2-1连接，吊绳驱动机构用于驱动吊绳6向外部伸出或向回收缩；

所述控制器分别与激光发射器9、气泵、电磁阀8、水量显示器7、温度传感器11和自动抽绳装置10连接。

作为一种优选，所述控制器为PLC控制器。

作为一种优选，所述水路输送管道4为高压输水软管。

本发明还提供了一种基于激光辅助帷幕成形的钻孔稳定方法，包括以下步骤，

步骤一：在地面布置激光发射器9、高压氮气瓶、气泵和自动抽绳装置10；

步骤二：利用远距离激光传输光纤5建立激光发射器9和激光头2-1的光路连接；利用气路输送管道建立气泵与喷气嘴2-2的连接；利用水路输送管道4建立电磁阀8和雾化喷嘴4-1的连接；利用吊绳6建立自动抽绳装置10中吊绳驱动机构和激光头2-1的连接；

步骤三：通过控制器控制自动抽绳装置10中的吊绳驱动机构动作，使吊绳6以设定的速度向外部放出，并利用吊绳6将激光头2-1放至井下作业位置；

步骤四：接通激光发射器9和自动抽绳装置10的电源，对激光发射器9和自动抽绳装置10进行调试；

步骤五：通过控制器控制激光发射器9工作一定时间，该过程中，激光发射器9产生高能激光光束，利用远距离激光传输光纤5使产生的激光光束传送至井下的激光头2-1，再通过激光头2-1使激光发射出并以一定距离聚焦在岩石上，利用激光辐射作用使岩石局部的温度骤然升高，通过高温熔化岩石局部并形成气液两相混合物；

步骤六：通过控制器控制气泵工作一定时间，利用气路输送管道将高压气流输送至激光头2-1外围的喷气嘴2-2，再通过喷气嘴2-2将高压气流喷射到钻孔内部，将产生的气液两相混合物吹走，使钻孔快速成形；

步骤七：通过控制器控制电磁阀8打开一定时间，利用水路输送管道4将水输送至雾化喷嘴4-1中，并通过雾化喷嘴4-1喷到刚形成的钻孔中，对钻孔内部进行冷却，并于该作业位置的钻孔孔壁上形成致密结晶状的帷幕；

步骤八：在形成帷幕状态后利用温度传感器11实时采集该作业位置钻孔内的温度信号，并反馈给控制器，当温度达到设定温度时，控制器控制自动抽绳装置10中的吊绳驱动机构动作，使吊绳6向外部放出一定的长度，并利用吊绳6将激光头2-1下放到下一作业位置；

步骤九：多次重复步骤五至步骤八，直至完成整个钻孔的钻取作业，获得激光辐射形成的钻孔1，该过程中，通过激光的辐射作用和水冷却的共同作用，促使整个钻孔孔壁表面呈现致密结晶状，从而在整个钻孔的内壁形成一种帷幕状态，以使形成的钻孔稳定性更强；

步骤十：通过控制器控制自动抽绳装置10中吊绳驱动机构动作，使吊绳6向上收缩，并利用吊绳6将激光头2-1移出钻孔。

作为一种优选，在步骤四中，在调试过程中，对激光发射器9的辐射功率P、脉冲频率F和焦距L进行参数设置，以保证辐射到岩石上的激光达到足以将岩石快速熔化的功率密度，对自动抽绳装置10的吊绳收放速度V进行参数设置。

为了更精确的控制注水量，在步骤七中，通过串接在水路输送管道4上的水量显示器7对钻孔内的注水量进行实时查看。

Claims (6)

1.一种基于激光辅助帷幕成形的钻孔稳定系统，包括远距离光纤传送单元、水路控制单元和辅助气流清岩单元(2)，其特征在于，还包括温度传感器(11)、激光设备保护装置(3)、自动抽绳装置(10)和控制器；

所述远距离光纤传送单元由激光发射器(9)、远距离激光传输光纤(5)和激光头(2-1)组成；所述激光发射器(9)通过远距离激光传输光纤(5)和激光头(2-1)连接；所述激光发射器(9)用于提供钻孔的能量来源，所述远距离激光传输光纤(5)用于提供激光通路，所述激光头(2-1)用于输出激光进行钻孔作业；

所述水路控制单元由电磁阀(8)、水路输送管道(4)、雾化喷嘴和水量显示器(7)组成；所述电磁阀(8)的进液端与水源连接，其出液端通过水路输送管道(4)与雾化喷嘴(4-1)连接，所述雾化喷嘴(4-1)呈环形，其下环面上遍布地开设有若干雾化喷孔，雾化喷嘴(4-1)套装在激光头(2-1)的外表面；所述水量显示器(7)串接在水路输送管道(4)上；

所述辅助气流清岩单元(2)由喷气嘴(2-2)、高压氮气瓶、气泵和气路输送管道组成，所述喷气嘴(2-2)呈环形，其下环面上开设有环形的出气口，喷气嘴(2-2)套装在雾化喷嘴(4-1)的外表面，所述气泵的进气口与高压氮气瓶的出气嘴连接，气泵的出气口通过气路输送管道与喷气嘴(2-2)连接，气泵上装配有气压计；

所述温度传感器(11)贴合地安装在激光头(2-1)的外表面；

所述激光设备保护装置(3)固定套装在激光头(2-1)的外部；

所述自动抽绳装置(10)中具有吊绳驱动机构，吊绳驱动机构通过吊绳(6)与激光头(2-1)连接，吊绳驱动机构用于驱动吊绳(6)向外部伸出或向回收缩；

所述控制器分别与激光发射器(9)、气泵、电磁阀(8)、水量显示器(7)、温度传感器(11)和自动抽绳装置(10)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光辅助帷幕成形的钻孔稳定系统，其特征在于，所述控制器为PLC控制器。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于激光辅助帷幕成形的钻孔稳定系统，其特征在于，所述水路输送管道(4)为高压输水软管。

4.一种基于激光辅助帷幕成形的钻孔稳定方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤一：在地面布置激光发射器(9)、高压氮气瓶、气泵和自动抽绳装置(10)；

步骤二：利用远距离激光传输光纤(5)建立激光发射器(9)和激光头(2-1)的光路连接；利用气路输送管道建立气泵与喷气嘴(2-2)的连接；利用水路输送管道(4)建立电磁阀(8)和雾化喷嘴(4-1)的连接；利用吊绳(6)建立自动抽绳装置(10)中吊绳驱动机构和激光头(2-1)的连接；

步骤三：通过控制器控制自动抽绳装置(10)中的吊绳驱动机构动作，使吊绳(6)以设定的速度向外部放出，并利用吊绳(6)将激光头(2-1)放至井下作业位置；

步骤四：接通激光发射器(9)和自动抽绳装置(10)的电源，对激光发射器(9)和自动抽绳装置(10)进行调试；

步骤五：通过控制器控制激光发射器(9)工作一定时间，该过程中，利用远距离激光传输光纤(5)使产生的激光光束传送至井下的激光头(2-1)，再通过激光头(2-1)使激光发射出并以一定距离聚焦在岩石上，利用激光辐射作用使岩石局部的温度骤然升高，通过高温熔化岩石局部并形成气液两相混合物；

步骤六：通过控制器控制气泵工作一定时间，利用气路输送管道将高压气流输送至激光头(2-1)外围的喷气嘴(2-2)，再通过喷气嘴(2-2)将高压气流喷射到钻孔内部，将产生的气液两相混合物吹走，使钻孔快速成形；

步骤七：通过控制器控制电磁阀(8)打开一定时间，利用水路输送管道(4)将水输送至雾化喷嘴(4-1)中，并通过雾化喷嘴(4-1)喷到刚形成的钻孔中，对钻孔内部进行冷却，并于该作业位置的钻孔孔壁上形成致密结晶状的帷幕；

步骤八：在形成帷幕状态后利用温度传感器(11)实时采集该作业位置钻孔内的温度信号，并反馈给控制器，当温度达到设定温度时，控制器控制自动抽绳装置(10)中的吊绳驱动机构动作，使吊绳(6)向外部放出一定的长度，并利用吊绳(6)将激光头(2-1)下放到下一作业位置；

步骤九：多次重复步骤五至步骤八，直至完成整个钻孔的钻取作业，获得激光辐射形成的钻孔(1)，该过程中，通过激光的辐射作用和水冷却的共同作用，促使整个钻孔孔壁表面呈现致密结晶状，从而在整个钻孔的内壁形成一种帷幕状态，以使形成的钻孔稳定性更强；

步骤十：通过控制器控制自动抽绳装置(10)中吊绳驱动机构动作，使吊绳(6)向上收缩，并利用吊绳(6)将激光头(2-1)移出钻孔。

5.根据权利要求4所述的一种基于激光辅助帷幕成形的钻孔稳定方法，其特征在于，在步骤四中，在调试过程中，对激光发射器(9)的辐射功率P、脉冲频率F和焦距L进行参数设置，对自动抽绳装置(10)的吊绳收放速度V进行参数设置。

6.根据权利要求4或5所述的一种基于激光辅助帷幕成形的钻孔稳定方法，其特征在于，在步骤七中，通过串接在水路输送管道(4)上的水量显示器(7)对钻孔内的注水量进行实时查看。

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