CN117759152A - 微波-液氮原位耦合温度冲击钻孔装置及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种微波‑液氮原位耦合温度冲击钻孔装置及其施工方法，属于金属矿床钻孔技术领域，所述装置是由微波辐射系统、液氮喷射系统和钻进系统组成。本发明用于金属矿石的微波‑液氮原位耦合高低温冲击弱化岩层的辅助钻孔装置通过微波‑液氮的原位耦合输出，利用微波选择性加热和液氮低温使得金属矿石中的微波敏感矿物在温度冲击作用下先膨胀后收缩，快速致裂金属矿石，形成小范围的低强度区域，辅助钻头实现了基于微波‑液氮原位耦合高低温冲击下金属矿床及其围岩钻孔的高效钻进。
Description
技术领域
本发明属于金属矿床钻孔技术领域，具体涉及一种用于金属矿石的微波-液氮原位耦合温度冲击钻孔装置及其施工方法。
背景技术
金属矿产资源在航空航天、新能源新材料、军事设施、机械制造等诸多方面都有不可替代的作用，是国民经济发展和国防安全的重要支撑。目前，国内金属矿产资源的主要开采方法之一是崩落法，该方法是在金属矿体围岩内施工多组开采孔，将火工品或破岩装置伸入开采孔内，通过爆破或其他破岩方法崩落围岩达到采矿的目的。由此可知，对于采用崩落法开采的金属矿，开采孔的钻进是主要工作之一，其工作量占据了金属矿整套开采工艺工作量的40%左右。金属矿床及围岩通常整体强度较高，其钻孔方式本身和矿床地质条件的匹配性决定了单孔钻进速度，同时也是影响开采效率和开采成本关键因素之一。
金属矿产资源大部分位于火成岩或变质岩地层内，如花岗岩、玄武岩、石英岩等，通常具有矿石矿强度高、围岩坚硬的特点，同时金属矿床本身强度也较大。目前最主要的钻孔手段是机械刀具钻孔，但矿石单轴抗压强度大部分为180MPa左右，局部可达240MPa以上，高强度连续机械钻孔会导致钻头磨损严重，钻进效率下降，进而提高钻进成本。有鉴于此，亟需一种针对金属矿坚硬岩层的钻孔装置，可针对金属矿床的矿物特性和高强度特点进行高效钻进。
在公开文献中可以获得公开号为CN112343511A的“一种基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置及方法”专利。该破岩方法是预先在岩层内钻进多个钻孔，将微波发射器和液氮喷射管分别放入微波孔和液氮孔内，在微波辐射后进行液氮冲击，通过热冲击钻孔和冷冲击钻孔的配合破碎岩体。该方法虽有效破碎了岩层，但仍存在以下不足。其一是该破岩方法提到需至少4个钻孔同时作业，由于钻孔布置需存在间距，加之钻孔孔径本身的距离，该方法仅适用于大范围岩层破碎，无法针对小范围区域进行破岩；其二是该方法主要针对岩层破碎，不能实现钻孔的连续钻进；其三是该方法中微波与液氮的配合方式为群孔致裂，不能做到针对单孔内待钻区域的原位致裂。
在公开文献中可以获得公开号为CN112523692A的“用于盾构区间地表沉降监测的可移动式微波钻孔装置及方法”专利，其主要是将微波钻孔系统布置在工程车上实现自由移动，而后通过微波抑制器与钻杆配合，将微波密闭在钻孔区域内，利用微波辐射破岩，钻杆钻进的方法实现钻孔。该方法主要有以下不足，其一是微波抑制器内直接放置钻杆影响微波的传输效率，并且容易产生阻抗不匹配问题；其二是该装置钻头直径小于微波抑制器直径，钻头进给时其抑制器无法同步进给，而可用于微波加热的民用波段为2450MHz和915MHz，均为厘米波，无法通过钻孔缝隙传输至深孔内的待钻岩层，此时微波仅能辐射待钻区域表面，也就不能在深孔钻进时做到孔内破岩。其三是该方法通过微波破碎岩层的单一致裂方法，而后用钻头进行钻进，破碎效果相对冷热冲击的多重致裂方法有所降低，钻进效率也相对较低。
在公开文献中可以获得公开号为CN104929513A的“微波辅助破岩气体钻井装备及气体钻井井壁冻结方法”专利，其主要利用微波辅助破岩PDC钻头进行钻井，在钻至出水层时，开启微波辐射熔融出水层井壁，而后利用液氮低温冻结水形成冰壁，解决气体钻井不适用于出水层的问题。该方法有如下缺点，其一是该方法微波辐射方向为径向辐射，作用岩层为井壁岩层，而轴向待钻岩层无法受到微波辐射，因此，在开始钻进时待钻区域的岩层仍为完整岩层，钻进方式仍为PDC钻头机械钻进，钻进效率较低。其二是该钻进方法中的微波不能作用到待钻区域（轴向）岩层，仍单独采用PDC钻头机械钻进，若遇到坚硬岩层，其刀具损耗较大，而该方法将微波系统集成于钻头内，频繁更换刀具使得成本大幅提高。其三是可用于微波加热的民用波段为2450MHz和915MHz，并且标准矩形波导尺寸分别为宽86.36mm、高43.18mm和宽292.1mm、高146.05mm，假设取矩形波导尺寸为2450MHz，该方法是将矩形波导设置在刀翼内，而刀翼作为主要切割工具，内部为空心状态（矩形波导）时则需增加壁厚使其自身达到一定强度，并且PDC石油钻头最少为三刀翼，再加之钻柱直径，其集成微波的钻头直径不低于250mm，不适用于较小钻孔。
发明内容
针对金属矿床强度较高，连续性机械钻孔钻头磨损大、钻进效率低的问题，本发明提供一种微波-液氮原位耦合温度冲击钻孔装置及其施工方法，利用矿石中的金属矿物均具有高介电常数的特性，结合微波辐射选择性加热特点，在微波辐射作用下，将微波敏感矿物加热至一定温度，使其产生微膨胀，而后喷射液氮进行低温冲击致使微波敏感矿物在高低温冲击的作用下迅速微收缩，从而产生裂纹，实现矿石的致裂，有效降低矿石强度，最终采用钻头切割钻进，大幅度降低钻头磨损率的同时，有效提高了在坚硬金属矿床内的钻进效率。
本发明采用如下技术方案：
一种微波-液氮原位耦合温度冲击钻孔装置，包括微波辐射系统、液氮喷射系统和钻进系统；
所述微波辐射系统包括微波发生系统、传输系统、输出系统和操控系统；
所述微波发生系统包括微波功率源和磁控管，磁控管固定于微波功率源的侧面；所述传输系统包括水负载、隔离器、三销钉调配器和矩形波导，依次连接于微波发生系统的输出端；所述输出系统包括波导型短路活塞、高速推力滚针直线轴承和圆波导，波导型短路活塞的输出端通过高速推力滚针直线轴承与圆波导套接，输入端与矩形波导连接；所述操控系统包括电源开关和微波辐射系统操作台。
进一步地，所述波导型短路活塞与高速推力滚针直线轴承的连接端设有中空同轴内芯，所述中空同轴内芯为双层结构，外层为电导体材料，内层为不锈钢耐低温材料，内外层之间填充有酚醛泡沫保温材料。
进一步地，所述液氮喷射系统包括自增压液氮罐和液氮输送管，液氮输送管的一端与自增压液氮罐的输出端连接，另一端与波导型短路活塞的中空同轴内芯连接。
进一步地，所述钻进系统包括电机和钻进系统操作台，电机位于钻进系统操作台的一端，电机的输出端通过皮带连接有传动轮，传动轮的中心连接有从动杆，从动杆的另一端依次连接有变速齿轮和涡轮，最终连接至回转夹持器，回转夹持器与圆波导连接，回转夹持器的底部设有液压柱，圆波导的一端连接有中空钻头，中空钻头伸出回转夹持器，电机与钻进系统操作台电性连接。
进一步地，所述回转夹持器包括动力头和立轴，立轴的顶端内部固定有液压卡瓦，动力头位于立轴的顶端外侧，立轴的外部与动力头之间设有轴承，液压卡瓦夹持中空钻头，从动杆与立轴连接，圆波导与立轴套接。
进一步地，所述波导型短路活塞的输入端为矩形，输出端为圆形，两者垂直布置，且输出端垂直穿过输入端。
进一步地，所述波导型短路活塞的输出端与圆波导内套的尺寸为20cm。
进一步地，所述中空同轴内芯的输出端设有密封网。
进一步地，所述自增压液氮罐上设有加压泵，加压泵的顶端设有液位计和压力表，加压泵的两端设有增压阀和排液阀，自增压液氮罐的底部设有自走轮。
一种微波-液氮原位耦合温度冲击钻孔装置的施工方法，包括如下步骤：
第一步，收集矿石的矿物组分及含量、各矿物介电常数、抗压强度；
第二步，选定钻孔位置，清理表面的松动岩层；
第三步，根据微波额定最大功率，结合矿物含量及其介电特性和矿石抗压强度，按如下公式计算微波辐射时间，该辐射时间为矿石受垂直应力破坏所需时间的70%；
T=Lσc/（Pfvτ×70%），其中，T为微波辐射时间，min；σc为矿石抗压强度，MPa；L为单次推进长度，cm；τ为矿石相对介电常数，τ=w1τ1×w2τ2×…×wnτn，w1.2…n为各矿物含量，τ1.2…n为各矿物介电常数；P为微波功率，kW；fv为微波频率，GHz；
第四步，将钻进系统固定至提前布置的单体柱上，将回转夹持器调整至合适位置，夹持并固定圆波导，输出端安装中空钻头，并对准钻孔位置；
第五步，依次连接微波发生系统、传输系统、输出系统，将输出系统中的波导型短路活塞的输入端连接矩形波导，输出端安装高速推力滚针轴承和中空同轴内芯，并连接至圆波导，圆波导长度每段为50cm，中空同轴内芯每段长度50cm，其延伸均采用螺纹固定连接；
第六步，将液氮输送管一端连接中空同轴内芯，一端连接自增压液氮罐的排液阀，确定罐内液氮容量，打开增压阀，设置喷射压力为0.5MPa备用；
第七步，按照预定时间进行微波辐射，在辐射完成后立刻开启排液阀，由中空同轴内芯输出端喷射液氮至待钻区域，利用微波选择性加热特性迅速提高微波敏感矿物的温度，而后使其立刻受到液氮低温冲击，在待钻区域形成温度梯度，其微波敏感矿物先微膨胀后微收缩，从而在矿石表面形成微裂纹，实现微波-液氮原位耦合致裂矿石，大幅降低矿石强度；
第八步，在液氮喷射的同时，钻进系统开启，开始旋转圆波导并向前推进，单次推进长度20cm；
第九步，钻进长度达到20cm后，退出圆波导，取出矿石碎渣；
第十步，在高速推力滚针直线轴承处拆卸中空同轴内芯和圆波导，并安装下一段伸入钻孔内；
第十一步，重复步骤第七步~第十步，实现循环钻进。
本发明的有益效果如下：
1. 通过微波辐射的选择性加热特点，针对性加热金属矿石中的微波敏感矿物，利用其介电常数较高、温升速率较大的特性，使得微波敏感矿物在同一微波辐射条件下的温度高于其他不敏感矿物，而后实施液氮喷射进行低温冲击，利用温度梯度造成矿物的先膨胀后收缩，使钻进区域矿石产生微裂纹。同时，在微波-液氮高低温冲击条件下，微波不必持续辐射至岩石破裂，而是配合液氮低温冲击致裂矿石，并且在液氮喷射时即可开始钻进，减少了微波辐射时间，提高了致裂和钻进效率。
2. 微波输出系统采用波导型短路活塞，其同轴内芯具有引导圆波导内微波聚焦于端点的作用，提高辐射区域的功率密度，增加致裂速度，缩小致裂范围。同时将其同轴内芯改为中空双层结构，使其成为液氮输送结构，并且内外层之间填充酚醛泡沫保温材料，防止同轴内芯的外壁长期受低温出现损伤。通过短路活塞传输聚焦微波、中空同轴内芯输送液氮，可实现微波与液氮两部分的原位、耦合、同时传输，并且可控制在钻孔孔径的小范围内，进而达到在矿床预成孔区域内原位耦合致裂的效果。
3. 通过在短路活塞与圆波导之间添加高速推力滚针直线轴承，实现了短路活塞端固定，圆波导端旋转的目的。同时配合圆波导输出端设置的中空钻头，在微波-液氮原位耦合致裂后，可通过回转夹持器实现圆波导的旋转进给成孔。
4. 本发明通过中空同轴内芯输出液氮，可在钻头钻进时持续喷射，代替水达到冷却降尘的目的，且液氮喷射形成的低温大幅提升了钻头的冷却效果。
附图说明
图1为本发明的装置的结构示意图；
图2为波导型短路活塞、中空同轴内芯和圆波导的连接示意图；
图3为本发明的回转夹持器的结构示意图；
图4为图3的A-A向剖视图；
图5为图3的B-B向剖视图；
其中：1-微波功率源；2-磁控管；3-水负载；4-隔离器；5-三销钉调配器；6-矩形波导；7-波导型短路活塞；8-高速推力滚针直线轴承；9-圆波导；10-中空同轴内芯；11-电源开关；12-微波辐射系统操作台；13-自增压液氮罐；14-液氮输送管；15-液压柱；16-回转夹持器；17-液压油管；18-从动杆；19-传动轮；20-皮带；21-电机；22-钻进系统操作台；23-中空钻头；131-液位计；132-增压阀；133-排液阀；134-压力表；135-加压泵；136-自走轮；161-动力头；162-液压卡瓦；163-立轴。
具体实施方式
结合附图，对本发明做进一步说明。
一种微波-液氮原位耦合温度冲击钻孔装置，包括微波辐射系统、液氮喷射系统、钻进系统。
所述微波辐射系统由微波发生系统、传输系统、输出系统、操控系统组成，所述微波发生系统包括微波功率源1和磁控管2，磁控管2固定于微波功率源1侧面；所述传输系统由水负载3、隔离器4、三销钉调配器5和矩形波导6组成，依次连接于微波发生系统的输出端；所述输出系统由波导型短路活塞7、高速推力滚针直线轴承8和圆波导9组成，波导型短路活塞7一端通过高速推力滚针直线轴承8与圆波导9套接，一端与矩形波导6连接；所述操控系统由电源开关、11微波辐射系统操作台12组成，控制微波开关及其输出功率。
所述液氮喷射系统包括自增压液氮罐13和液氮输送管14，液氮输送管14一端与自增压液氮罐13连接，一端与波导型短路活塞7的中空同轴内芯10连接，由自增压液氮罐13输出液氮，经液氮输送管14和中空同轴内芯10输送至钻孔待钻区域。
所述钻进系统由电机21、皮带20、传动轮19、从动杆18、回转夹持器16、液压油管17、液压柱15、中空钻头23和钻进系统操作台22组成。所述电机21通过皮带20连接传动轮19，传动轮19与从动杆18连接，由从动杆18通过变速齿轮带动涡轮进而为回转夹持器16提供旋转动力。所述回转夹持器16包括动力头161、立轴163和液压卡瓦162，立轴163内部固定有液压卡瓦162，外部与动力头161之间设置有轴承，通过液压卡瓦162夹持中空钻头23，由动力头161带动立轴163实现旋转。所述回转夹持器16与液压柱15固定，与液压油管17连接，由液压柱15带动回转夹持器16升降实现进给。所述钻进系统操作台22与电机21电连接。
所述微波发生系统中，微波功率源1频率为2450MHz，功率为0~15kW连续可调（功率可根据现场地质状况调整），磁控管2为专用水冷磁控管。
所述波导型短路活塞7配有活塞杆，调整活塞进程可实现微波与矿石的阻抗匹配。波导型短路活塞7输入端为矩形、输出端为圆形，两者呈垂直布置，且输出端垂直穿过输入端。输入端与矩形波导6连接。输出端安装高速推力滚针直线轴承8与圆波导9连接，连接方式为套管连接，即圆波导9内套高速推力滚针直线轴承8并固定，高速推力滚针直线轴承8内套波导型短路活塞7输出端。波导型短路活塞7输出端与圆波导9内套（重合）20cm，即为单次推进长度。
所述波导型短路活塞7的同轴内芯为中空双层结构，外层为电导体（铜）材料，内层为不锈钢耐低温材料，内外层之间采用酚醛泡沫保温材料填充。
所述中空同轴内芯10输出端配有密封网，可防止矿石碎渣堵塞输出口。中空同轴内芯输出端与辐射面距离为0~20cm可调，该预留距离用于容纳矿石碎渣，同时也是单次钻进长度。
所述自增压液氮罐13自身配有液位计131、增压阀132、排液阀133、压力表134、加压泵135、自走轮136，通过所述配件可检查液氮余量，可调整和查看液氮传输压力。液氮输送管14与排液阀133连接，实现液氮的加压输送。
所述高速推力滚针直线轴承8是内部装细长滚子（滚子直径D≤5mm，L/D≥2.5，L为滚子长度）的直线轴承，可在杆件与杆件之间自由旋转和滑移。轴承是连接圆波导9与波导型短路活塞7输出端的配件，在钻进时可以通过回转夹持器16固定圆波导9旋转进给，实现波导型短路活塞7端固定，圆波导9端旋转进给的目的。
所述矩形波导6为BJ26矩形波导，铝制，内截面长86.36mm，宽43.18mm，双侧均为法兰式连接头，每段长200mm，可根据现场情况自由调整长度。
所述中空钻头23为中空金刚石钻头，以螺纹固定于圆波导9输出端，通过回转夹持器16夹紧固定圆波导9而提供旋转进给动力，配合中空钻头23实现钻孔开挖的目的。
所述钻进系统与微波辐射系统的布置方式分为两种情况，可根据现场情况酌情选择。其一是可将钻进系统置于微波辐射系统之上，微波辐射系统可配合单体柱固定钻进系统，适用于底板平整、高度较高的狭小区域；其二是可将钻进系统和微波辐射系统分为两个部分自由放置，适用于高度受限、底板不平整的宽阔区域。钻进系统和微波辐射系统通过卡扣结构固定和拆卸。
实施例
某铁矿10号矿体为石英型赤铁矿，矿石抗压强度最大为203.9MPa，矿物成分、矿物含量及介电常数见下表：
（1）根据矿井地质资料，确定待钻矿体的矿物组分、抗压强度和介电常数；
（2）确定钻孔位置，敲掉钻孔处表面的松动矿石；
（3）微波额定最大功率15kW，根据公式T=Lσc/（Pfvτ×70%），计算得出微波辐射时间为3.69min，取整为3.7min；
（4）待钻区域位于巷道顶板，巷道高度2.7m，底板较平整，选择将钻进系统置于微波发生系统之上，回转夹持器高度设为2~2.2m，钻进系统和微波辐射系统总高1.8m，在微波辐射系统底部添加0.4m高的枕木。钻机上部固定采用单体柱，单体柱高度调整为1.5m，其顶部完全接触硬顶，底部固定在钻进系统上的凹槽内，钻机下部与微波辐射系统以卡扣固定连接；
（5）选取长度50cm的圆波导（Φ75mm），在其顶端安装中空钻头（Φ75mm），穿入回转夹持器内并夹紧，对准待钻位置备用。选取长度50cm的中空同轴内芯（Φ15mm）做延长段，与短路活塞（Φ65mm）内的中空同轴内芯（Φ15mm）连接，由圆波导底部伸入，同时将圆波导通过轴承与波导型短路活塞连接，并依次连接矩形波导、三销钉调配器、隔离器、水负载、磁控管、微波源；
（6）将液氮输送软管一端连接至波导型短路活塞处的中空同轴内芯上，一端与自增压液氮罐上的排液阀连接，打开增压阀，压力升至0.5MPa后备用，检查液位计，保证液氮储量不低于1/3；
（7）微波功率源开启，设置微波辐射时间为3.7min，开始微波辐射加热，在辐射完成后立刻开启液氮排液阀，由中空同轴内芯输出端喷射液氮至待钻区域。首先利用微波辐射选择性加热特性迅速提高微波敏感矿物的温度，而后立刻开启液氮喷射系统使其受到低温冲击，在待钻区域形成温度梯度，其微波敏感矿物先微膨胀后微收缩，从而在矿石表面形成微裂纹，实现微波-液氮的原位耦合致裂钻孔区域，大幅降低矿石强度，提高钻进效率；
（8）液氮持续喷射的同时，钻进系统开启，圆波导旋转进给，利用输出端的中空钻头实现进刀，由于微波-液氮冲击作用下诱发大量微裂纹，可实现高效钻进，单次推进长度20cm（即中空同轴内芯输出端与矿石表面的距离），液氮持续喷射可达到低温冷却钻头和降尘的目的；
（9）钻进完成后，松开回转夹持器，退出圆波导，清理矿石碎渣；
（10）在高速推力滚针轴承处拆卸中空同轴内芯和圆波导，安装延长段圆波导和中空同轴内芯；
（11）重复步骤7~10，实现循环钻进。
Claims (10)
1.一种微波-液氮原位耦合温度冲击钻孔装置，其特征在于：包括微波辐射系统、液氮喷射系统和钻进系统；
所述微波辐射系统包括微波发生系统、传输系统、输出系统和操控系统；
所述微波发生系统包括微波功率源（1）和磁控管（2），磁控管（2）固定于微波功率源（1）的侧面；所述传输系统包括水负载（3）、隔离器（4）、三销钉调配器（5）和矩形波导（6），依次连接于微波发生系统的输出端；所述输出系统包括波导型短路活塞（7）、高速推力滚针直线轴承（8）和圆波导（9），波导型短路活塞（7）的输出端通过高速推力滚针直线轴承（8）与圆波导（9）套接，输入端与矩形波导（6）连接；所述操控系统包括电源开关（11）和微波辐射系统操作台（12）。
2.根据权利要求1所述的一种微波-液氮原位耦合温度冲击钻孔装置，其特征在于：所述波导型短路活塞（7）与高速推力滚针直线轴承（8）的连接端设有中空同轴内芯（10），所述中空同轴内芯（10）为双层结构，外层为电导体材料，内层为不锈钢耐低温材料，内外层之间填充有酚醛泡沫保温材料。
3.根据权利要求2所述的一种微波-液氮原位耦合温度冲击钻孔装置，其特征在于：所述液氮喷射系统包括自增压液氮罐（13）和液氮输送管（14），液氮输送管（14）的一端与自增压液氮罐（13）的输出端连接，另一端与波导型短路活塞（7）的中空同轴内芯连接。
4.根据权利要求3所述的一种微波-液氮原位耦合温度冲击钻孔装置，其特征在于：所述钻进系统包括电机（21）和钻进系统操作台（22），电机（21）位于钻进系统操作台（22）的一端，电机（21）的输出端通过皮带（20）连接有传动轮（19），传动轮（19）的中心连接有从动杆（18），从动杆（18）的另一端依次连接有变速齿轮和涡轮，最终连接至回转夹持器（16），回转夹持器（16）与圆波导连接，回转夹持器（16）的底部设有液压柱（15），圆波导（9）的一端连接有中空钻头（23），中空钻头（23）伸出回转夹持器（16），电机（21）与钻进系统操作台（22）电性连接。
5.根据权利要求4所述的一种微波-液氮原位耦合温度冲击钻孔装置，其特征在于：所述回转夹持器（16）包括动力头（161）和立轴（163），立轴（163）的顶端内部固定有液压卡瓦（162），动力头（161）位于立轴（163）的顶端外侧，立轴（163）的外部与动力头（161）之间设有轴承，液压卡瓦（162）夹持中空钻头（23），从动杆（18）与立轴（163）连接，圆波导（9）与立轴（163）套接。
6.根据权利要求1所述的一种微波-液氮原位耦合温度冲击钻孔装置，其特征在于：所述波导型短路活塞（7）的输入端为矩形，输出端为圆形，两者垂直布置，且输出端垂直穿过输入端。
7.根据权利要求1所述的一种微波-液氮原位耦合温度冲击钻孔装置，其特征在于：所述波导型短路活塞（7）的输出端与圆波导（9）内套的尺寸为20cm。
8.根据权利要求3所述的一种微波-液氮原位耦合温度冲击钻孔装置，其特征在于：所述中空同轴内芯（10）的输出端设有密封网。
9.根据权利要求3所述的一种微波-液氮原位耦合温度冲击钻孔装置，其特征在于：所述自增压液氮罐（13）上设有加压泵（135），加压泵（135）的顶端设有液位计（131）和压力表（134），加压泵（135）的两端设有增压阀（132）和排液阀（133），自增压液氮罐（13）的底部设有自走轮（136）。
10.一种微波-液氮原位耦合温度冲击钻孔装置的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，收集矿石的矿物组分及含量、各矿物介电常数、抗压强度；
第二步，选定钻孔位置，清理表面的松动岩层；
第三步，根据微波额定最大功率，结合矿物含量及其介电特性和矿石抗压强度，按如下公式计算微波辐射时间，该辐射时间为矿石受垂直应力破坏所需时间的70%；
T=Lσc/（Pfvτ×70%），其中，T为微波辐射时间，min；σc为矿石抗压强度，MPa；L为单次推进长度，cm；τ为矿石相对介电常数，τ=w1τ1×w2τ2×…×wnτn，w1.2…n为各矿物含量，τ1.2…n为各矿物介电常数；P为微波功率，kW；fv为微波频率，GHz；
第四步，将钻进系统固定至提前布置的单体柱上，将回转夹持器（16）调整至合适位置，夹持并固定圆波导（9），输出端安装中空钻头（23），并对准钻孔位置；
第五步，依次连接微波发生系统、传输系统、输出系统，将输出系统中的波导型短路活塞（7）的输入端连接矩形波导（6），输出端安装高速推力滚针直线轴承（8）和中空同轴内芯（10），并连接至圆波导（9），圆波导（9）长度每段为50cm，中空同轴内芯（10）每段长度50cm，其延伸均采用螺纹固定连接；
第六步，将液氮输送管（14）一端连接中空同轴内芯（10），一端连接自增压液氮罐（13）的排液阀（133），确定罐内液氮容量，打开增压阀（132），设置喷射压力为0.5MPa备用；
第七步，按照预定时间进行微波辐射，在辐射完成后立刻开启排液阀（133），由中空同轴内芯（10）输出端喷射液氮至待钻区域，利用微波选择性加热特性迅速提高微波敏感矿物的温度，而后使其立刻受到液氮低温冲击，在待钻区域形成温度梯度，其微波敏感矿物先微膨胀后微收缩，从而在矿石表面形成微裂纹，实现微波-液氮原位耦合致裂矿石，大幅降低矿石强度；
第八步，在液氮喷射的同时，钻进系统开启，开始旋转圆波导（9）并向前推进，单次推进长度20cm；
第九步，钻进长度达到20cm后，退出圆波导（9），取出矿石碎渣；
第十步，在高速推力滚针直线轴承（8）处拆卸中空同轴内芯（10）和圆波导（9），并安装下一段伸入钻孔内；
第十一步，重复步骤第七步~第十步，实现循环钻进。
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