一种高压脉冲射流辅助钻进破岩系统

1.本发明涉及破岩技术领域，具体涉及一种高压脉冲射流辅助钻进破岩系统。


背景技术：

2.随着城镇化速度的加快，我国在铁路、公路以及水电等基础设施建设方面的隧道开挖工程量日益加大，而隧道的开挖是基础建设中的一项难度大、劳动条件差、耗资耗时多,但又是非常重要和关键的施工作业。当前我国隧道开挖方法一般有钻爆法、盾构掘进机法。相较于盾构掘进机法，钻爆法施工比较灵活,断面适应性好，同时钻爆法施工的主导设备凿岩台车凿岩速度快、钻臂定位耗时短和误差小、钻孔精度高、爆破效果好、工作环境好以及施工安全等优点，所以采用凿岩台车打炮眼﹐然后装药钻爆来开挖隧道的应用日益广泛。
3.但是凿岩台车在遭遇高围压硬岩时，其机械破岩能力严重不足，易出现贯入度低、钻头磨损严重等问题。
4.在众多新型辅助破岩方式中，水射流辅助破岩具有清洁环保、低能高效、易于实现的特点，能够提高破岩效率，降低破岩阻力，减少机械齿的磨损。但高压水射流辅助破岩技术仍然存在以下问题：
5.(1)连续高压水射流辅助破岩仅能产生单一的“水锤压力”，应力波损伤破岩能力有限，而后续的“滞止压力”难以加剧岩石内部损伤或裂纹扩展，导致其未能在开挖装备破碎硬岩工程中得到广泛的应用；
6.(2)现有高压水射流系统与目前凿岩淘车的施工过程兼容困难，无法避免钻臂工作对高压水传输管路带来的安全性、可靠性方面的风险。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种高压脉冲射流辅助钻进破岩系统，高压脉冲射流可以间隙性产生多个“水锤压力”，应力波在岩石内部叠加、反射等作用加剧岩石破碎和疲劳破坏；本系统能够保证高压水生成、传输及释放的安全性、可靠性，能够最大限度地降低高压水传输的压力损失，能够与凿岩台车施工过程兼容，保证高压脉冲射流辅助钻进装置破岩施工的有效性及可行性。
8.为实现上述目的，本发明的一种高压脉冲射流辅助钻进破岩系统，包括高压脉冲射流发生系统、密封装置、钻进装置、高压软管以及自激振荡喷嘴；
9.所述高压脉冲射流发生系统包括控制柜、水箱、管道泵、高压柱塞泵和三相异步电机；所述三相异步电机为所述高压柱塞泵提供动力，所述水箱分别与所述高压柱塞泵和所述管道泵连接，所述控制柜与所述管道泵连接，用于调节高压脉冲射流压力；
10.所述密封装置包括端盖、填料密封套、v型填料密封、水套、密封筒、加强套、o型密封圈、唇形密封；所述加强套套在钻进装置的钻杆上，所述钻杆位于所述密封筒的中心，所述水套位于所述密封筒内，并与所述加强套外表面接触；所述密封筒中间一侧开设有进水
口，所述进水口与所述水套连通，所述水套与所述钻杆内部的水道相通；所述端盖位于所述密封筒两端并与所述密封筒螺栓连接；所述填料密封套位于所述端盖与所述水套之间，所述v型填料密封位于所述填料密封套的开式密封槽内；所述o型密封圈位于所述填料密封套外侧的密封槽内，用于所述密封筒与所述填料密封套之间的密封；所述唇形密封位于所述端盖外侧的密封槽内，用于所述端盖与所述加强套之间的密封；
11.所述钻进装置还包括推进梁、凿岩机和钻头；所述凿岩机与所述密封装置均位于所述推进梁的导轨上，所述凿岩机与所述密封装置通过所述钻杆连接；所述自激振荡喷嘴位于所述钻头内部中心位置，所述自激振荡喷嘴包括上喷嘴、振荡腔以及下喷嘴，所述上喷嘴位于所述振荡腔一端并与所述振荡腔螺纹连接，所述下喷嘴位于所述振荡腔另一端并与所述振荡腔螺纹连接；所述上喷嘴、所述振荡腔和所述下喷嘴内部水路相通；
12.所述高压脉冲射流发生系统与所述密封装置通过所述高压软管连接。
13.进一步地，所述高压脉冲射流发生系统还包括过滤器，所述过滤器与所述水箱相连，用于废水回收。
14.进一步地，所述振荡腔内设有圆锥面，所述圆锥面的截面夹角为1600。
15.进一步地，所述高压脉冲射流发生系统的射流压力及流量通过所述控制柜面板上的变频器进行调节，所述高压柱塞泵出口处水压表及智能涡街流量计可对柱塞泵出口处水压和流量进行检测。
16.进一步地，所述推进梁上安装有链条和电机，所述凿岩机可通过链传动实现在所述推进梁上的推进与回退。
17.本发明的有益效果是：
18.(1)本发明通过控制调节射流压力和流量，使得高压脉冲射流与钻头相互配合，降低钻头的磨损，提高破岩效率；
19.(2)本发明通过在钻头内安装自激振荡喷嘴，可以间隙性产生多个“水锤压力”，应力波在岩石内部叠加、反射等作用，提高钻头破岩能力；
20.(3)本发明所述方案中使用的密封装置内设有多种密封构件，可以钻杆在工作时的良好密封。
附图说明
21.图1为本发明的高压脉冲射流辅助钻进破岩系统整体结构图；
22.图2为本发明的高压脉冲射流发生系统结构图；
23.图3为本发明的密封装置结构示意图；
24.图4为本发明的钻进装置结构示意图；
25.图5为本发明的自激振荡喷嘴结构示意图；
26.图中，1-高压脉冲射流发生系统，2-密封装置，3-钻进装置，4-高压软管，5-自激振荡喷嘴，1-1-控制柜，1-2-水箱，1-3-过滤器，1-4-管道泵，1-5-高压柱塞泵，1-6-三相异步电机，2-1-端盖，2-2-填料密封套，2-3-v型填料密封，2-4-水套，2-5-密封筒，2-6-加强套，2-7-o型密封圈，2-8-唇形密封，3-1-推进梁，3-2-凿岩机，3-3-钻杆，3-4-钻头，5-1-上喷嘴，5-2-振荡腔，5-3-下喷嘴。
具体实施方式
27.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
28.如图1所示，一种高压脉冲射流辅助钻进破岩系统，包括高压脉冲射流发生系统1、密封装置2、钻进装置3、高压软管4以及自激振荡喷嘴5。其中，高压脉冲射流发生系统1包括控制柜1-1、水箱1-2、滤器1-3、管道泵1-4、高压柱塞泵1-5和三相异步电机1-6，如图2所示，三相异步电机1-6为高压柱塞泵1-5提供动力，水箱1-2分别与高压柱塞泵1-5和管道泵1-4连接，控制柜与管道泵1-4连接，用于调节高压脉冲射流压力；过滤器1-3与水箱1-2相连，用于废水回收。高压脉冲射流发生系统1与密封装置2通过高压软管4连接。
29.具体地，高压脉冲射流发生系统1的射流压力及流量通过控制柜1-1面板上的变频器进行调节，高压柱塞泵1-5出口处水压表及智能涡街流量计可对柱塞泵出口处水压和流量进行检测。
30.如图3所示，密封装置包括端盖2-1、填料密封套2-2、v型填料密封2-3、水套2-4、密封筒2-5、加强套2-6、o型密封圈2-7、唇形密封2-8；加强套2-6套在钻进装置的钻杆3-3上，钻杆3-3位于密封筒2-5的中心，水套2-4位于密封筒2-5内，并与加强套2-6外表面接触；密封筒2-5中间一侧开设有进水口，进水口与水套2-4连通，水套2-4与钻杆3-3内部的水道相通；端盖2-1位于密封筒2-5两端并与密封筒2-5螺栓连接；填料密封套2-2位于端盖2-1与水套2-4之间，v型填料密封2-3位于填料密封套2-2的开式密封槽内；o型密封圈2-7位于填料密封套2-2外侧的密封槽内，用于密封筒2-5与填料密封套2-2之间的密封；唇形密封2-8位于端盖2-1外侧的密封槽内，用于端盖2-1与加强套2-6之间的密封。由于钻杆3-3在工作时需要不停转动，其与密封装置2之间的密封问题非常重要，通过设置填料密封套2-2、v型填料密封2-3，以及o型密封圈2-7、唇形密封2-8，可以很好地解决钻杆3-3在工作中的防漏水问题。
31.如图4所示，钻进装置还包括推进梁3-1、凿岩机3-2和钻头3-4.凿岩机3-2与密封装置均位于推进梁3-1的导轨上，凿岩机3-2与密封装置2通过钻杆3-3连接。推进梁3-1上安装有链条和电机，凿岩机3-2可通过链传动实现在推进梁3-1上的推进与回退。
32.如图5所示，自激振荡喷嘴5位于钻头3-4内部中心位置，自激振荡喷嘴5包括上喷嘴5-1、振荡腔5-2以及下喷嘴5-3，上喷嘴位于振荡腔5-2一端并与振荡腔螺纹连接，下喷嘴5-3位于振荡腔5-2另一端并与振荡腔5-2螺纹连接；上喷嘴5-1、振荡腔5-2和下喷嘴5-3内部水路相通。
33.本系统中的自激振荡喷嘴5可以对经过的高压水产生脉冲式高压射流，配合钻头3-4同时工作，在钻头3-2一边钻取岩层的时候，自激振荡喷嘴5可以不断地对岩层产生脉冲式的压力，即连续的水锤压力，对岩层进行松动和破坏，从而加快破岩效率。自激振荡喷嘴5的工作原理为：高压水从上喷嘴5-1进入振荡腔5-2内，高压水在振荡腔5-2内的气体的作用下，表面形成扰动，形成一连串的涡环，当涡环与下喷嘴5-3壁面并与之产生相互作用，在碰撞区产生压力脉冲。压力冲击波沿着射流相反方向以声速传播至上喷嘴时，与上喷嘴出口壁面相撞再次形成压力脉冲，这个压力脉冲一方面引起上喷嘴内流体振荡，诱发产生新的涡旋，另一方面又沿射流方向传播。若反射波正好与某一涡旋同时到达下喷嘴碰撞壁面时，碰撞而产生的压力脉冲得到加强。该过程循环往复，使涡旋放大，造成射流压力和速度大幅度脉动，形成自激振荡脉冲射流。
34.另外，本自激振荡喷嘴5的振荡腔5-2内设有圆锥面，圆锥面的截面夹角为160
0，
其产生涡流的效果更好。
35.由于在高压脉冲射流发生系统1内设置了过滤器1-3，可以对现场产生的废水进行回收再利用，减少工作面的积水，改善工作面的环境。
36.在现有技术中的高压连续射流辅助破岩过程中，会在其工作面产生大量的积水，造成设备难以正常工作，而本发明的高压脉冲射流则是产生的间接性水柱，可以很好的减少水的浪费。
37.本系统的破岩过程为：将过滤及软化处理的施工用水存放于水箱1-2中，通过高压柱塞泵1-5将水箱1-2内的水进行加压，形成高压水，高压水通过高压软管4进入密封装置2内，并通过钻杆3-3的通孔以及内部管路到达钻头3-4上的自激振荡喷嘴5，经下喷嘴喷5-3出形成高压脉冲射流，并作用在岩石上，对岩石进行破坏。
38.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下可以作出的各种变化，都处于本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高压脉冲射流辅助钻进破岩系统，其特征在于，包括高压脉冲射流发生系统(1)、密封装置(2)、钻进装置(3)、高压软管(4)以及自激振荡喷嘴(5)；所述高压脉冲射流发生系统(1)包括控制柜(1-1)、水箱(1-2)、管道泵(1-4)、高压柱塞泵(1-5)和三相异步电机(1-6)；所述三相异步电机(1-6)为所述高压柱塞泵(1-5)提供动力，所述水箱(1-2)分别与所述高压柱塞泵(1-5)和所述管道泵(1-4)连接，所述控制柜(1-1)与所述管道泵(1-4)连接，用于调节高压脉冲射流压力；所述密封装置(2)包括端盖(2-1)、填料密封套(2-2)、v型填料密封(2-3)、水套(2-4)、密封筒(2-5)、加强套(2-6)、o型密封圈(2-7)、唇形密封(2-8)；所述加强套(2-6)套在钻进装置(3)的钻杆(3-3)上，所述钻杆(3-3)位于所述密封筒(2-5)的中心，所述水套(2-4)位于所述密封筒(2-5)内，并与所述加强套(2-6)外表面接触；所述密封筒(2-5)中间一侧开设有进水口，所述进水口与所述水套(2-4)连通，所述水套(2-4)与所述钻杆(3-3)内部的水道相通；所述端盖(2-1)位于所述密封筒(2-5)两端并与所述密封筒(2-5)螺栓连接；所述填料密封套(2-2)位于所述端盖(2-1)与所述水套(2-4)之间，所述v型填料密封(2-3)位于所述填料密封套(2-2)的开式密封槽内；所述o型密封圈(2-7)位于所述填料密封套(2-2)外侧的密封槽内，用于所述密封筒(2-5)与所述填料密封套(2-2)之间的密封；所述唇形密封(2-8)位于所述端盖(2-1)外侧的密封槽内，用于所述端盖(2-1)与所述加强套(2-6)之间的密封；所述钻进装置(3)还包括推进梁(3-1)、凿岩机(3-2)和钻头(3-4)；所述凿岩机(3-2)与所述密封装置(2)均位于所述推进梁(3-1)的导轨上，所述凿岩机(3-2)与所述密封装置(2)通过所述钻杆(3-3)连接；所述自激振荡喷嘴(5)位于所述钻头(3-4)内部中心位置，所述自激振荡喷嘴(5)包括上喷嘴(5-1)、振荡腔(5-2)以及下喷嘴(5-3)，所述上喷嘴位于所述振荡腔(5-2)一端并与所述振荡腔螺纹连接，所述下喷嘴(5-3)位于所述振荡腔(5-2)另一端并与所述振荡腔(5-2)螺纹连接；所述上喷嘴(5-1)、所述振荡腔(5-2)和所述下喷嘴(5-3)内部水路相通；所述高压脉冲射流发生系统(1)与所述密封装置(2)通过所述高压软管(4)连接。2.根据权利要求1所述的一种高压脉冲射流辅助钻进破岩系统，其特征在于，所述高压脉冲射流发生系统(1)还包括过滤器(1-3)，所述过滤器(1-3)与所述水箱(1-2)相连，用于废水回收。3.根据权利要求1所述的一种高压脉冲射流辅助钻进破岩系统，其特征在于，所述振荡腔(5-2)内设有圆锥面，所述圆锥面的截面夹角为1600。4.根据权利要求1所述的一种高压脉冲射流辅助钻进破岩系统，其特征在于，所述高压脉冲射流发生系统(1)的射流压力及流量通过所述控制柜(1-1)面板上的变频器进行调节，所述高压柱塞泵(1-5)出口处水压表及智能涡街流量计可对柱塞泵出口处水压和流量进行检测。5.根据权利要求1所述的一种高压脉冲射流辅助钻进破岩系统，其特征在于，所述推进梁(3-1)上安装有链条和电机，所述凿岩机(3-2)可通过链传动实现在所述推进梁(3-1)上的推进与回退。

技术总结
本发明公开了一种高压脉冲射流辅助钻进破岩系统，包括高压脉冲射流发生系统、密封装置、钻进装置、高压软管以及自激振荡喷嘴。高压脉冲射流发生系统通过高压软管与密封装置相连，密封装置与钻进装置的钻杆内部水路相通，并到达钻头内的自激振荡喷嘴。高压脉冲射流发生系统产生高压水在自激振荡喷嘴中可产生连续的水锤压力，对岩石进行反复压力冲击，并配合钻头，可大大提交破岩效率，而且，本系统的密封装置可在钻杆工作时保证其密封性、安全性。安全性。安全性。


技术研发人员：张文康 聂济刚 赵伟 李洪盛 郝明月 贾亮亮 姚贺 宋道 陶亚男 苏金华 种波凯 赵功铭 杨红振
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/9/9