[发明专利]一种基于激光辅助帷幕成形的钻孔稳定系统及方法

说明书

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。

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；