【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钻进破岩，具体涉及一种水射流机械联合钻具、钻进破岩试验平台及其方法。
技术介绍
1、本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
2、机械钻具具有破碎块度大、作业效率高等优点，其已被广泛运用于矿山开采、建筑工程及资源勘探等领域。然而，采用机械方法钻取硬岩(抗压强度大于设定值)时，岩石破碎机构和刀具受到的冲击和磨损加大，使设备的工作环境更加恶劣，可靠性和工作效率降低，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。严重影响总体工期。
3、如何实现硬岩的高效破碎已经成为亟待解决的问题和难题，亟需研究新的岩石破碎方法实现坚硬岩石的高效破碎，对实现隧道高效掘进、矿山高效开采乃至能源资源的高效开发具有极其重要的意义。
4、在众多新型破岩方式中，水射流技术是一个安全性高、掘进效率高的技术，具有非常广阔的应用潜力。但水射流技术如何与传统钻具相结合，以提高掘进效率；如何快速接续钻杆，实现超长超快钻探都是需要解决的问题。
技术实现思路
1、本专利技术为了解决上述问题，提出了一种水射流机械联合钻具、钻进破岩试验平台及其方法，本专利技术可以实现水射流机械联合钻机的掘进工作，实现快速掘进和超长掘进。
2、根据一些实施例，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种水射流机械联合钻具，包括钻具本体，所述钻具本体的端部为钻头，所述
4、所述钻头上圆周分布有若干组钻齿机构，每个钻齿机构包括多个钻齿；
5、所述钻头上设置有若干出水孔，所述出水孔内设置有水射流末端喷嘴，所述水射流末端喷嘴和射流管路对应连接，出水孔设置于不同组钻齿机构之间的间隔区域，且各出水孔距离钻头中心位置的距离不同。
6、作为可选择的实施方式，相邻两组钻齿机构之间，在钻头的边缘设置有弧形传感器，用于检测当前岩石的强度和完整性，当前钻进位置和偏置情况。
7、作为可选择的实施方式，所述钻齿机构包括三组，圆周均匀布设在钻头上；每组钻齿机构包括若干排，每排包括若干切削齿。
8、作为可选择的实施方式，所述钻头后侧设置有无线控制开关，每个无线控制开关和水射流末端喷嘴相对应，以控制相应的水射流末端喷嘴动作。
9、一种水射流机械联合钻进破岩试验平台，包括上述水射流机械联合钻具，以及岩石夹持装置、钻具执行机构、高压射流泵组和中控系统，其中：
10、所述水射流机械联合钻具设置于钻具执行机构前端，所述岩石夹持装置设置于钻具执行机构前方；
11、所述钻具执行机构包括和水射流机械联合钻具连接的钻杆，钻杆连接有驱动机构，所述钻杆后端设置有回转接头，用于连接水射流机械联合钻具中的射流管路和磨料高压射流管路；钻杆和驱动机构设置于移动导轨上，所述移动导轨下端设置有水平移动调节机构，以带动移动导轨水平移动，所述移动导轨下端还设置有角度调节机构，以调整移动导轨在竖直方向上的角度；
12、所述高压射流泵组和所述磨料高压射流管路连接，为水射流末端喷嘴提供高压射流流体；
13、所述中控系统用于控制各调节机构的动作、钻杆的运动、水射流机械联合钻具的作业以及高压射流泵组的工作。
14、作为可选择的实施方式，所述试验平台包括一底座，所述底座上设置有沿水平第一方向设置的移动轨道，所述移动轨道上可移动设置有移动底板，所述移动底板上设置有角度调节机构，所述角度调节机构上设置有移动导轨，所述移动导轨沿水平第二方向设置，所述移动导轨上可移动设置有钻杆，钻杆下方设置有高度调节机构；
15、所述试验平台上设置有限位支撑住，以限定所述钻杆的移动距离。
16、作为可选择的实施方式，所述驱动机构包括前进动力机构和旋转动力机构，所述旋转动力机构套设在钻杆外侧，所述前进动力机构套设在钻杆外侧。
17、作为可选择的实施方式，所述钻杆包括多节钻杆结构，各节钻杆机构之间可拆卸连接，各节钻杆机构的两端分别为公头和母头，公头和母头之间相适配，至少一个头上设置有密封锥面，各节钻杆机构的内部均为中空结构。
18、作为可选择的实施方式，所述岩石夹持装置包括固定框架，所述固定框架内设置有可调节的夹持机构，所述夹持机构用于夹持固定岩石试样，所述固定框架下端设置有射流岩渣收集装置。
19、作为可选择的实施方式，所述固定框架的四周设置有防护挡片，还配置有气泵装置或水清洗装置。
20、上述水射流机械联合钻进破岩试验平台的工作方法，包括以下步骤：
21、夹持岩石试样，并加载围压；
22、进行钻机执行机构的位置调节，使其对准岩石试样的目标位置；
23、调节钻机执行机构的角度，使其以目标角度对准岩石试样的目标位置；
24、连接高压射流泵组和磨料高压射流管路；
25、启动驱动机构，启动高压射流泵组，利用水射流机械联合钻具进行钻进，当钻头旋转进行掘进破岩的同时，水射流末端喷嘴从钻头之间的缝隙中射出，边掘进边高压射流，利用喷射出的混合磨料水射流的压力，在岩石的表面切割出裂隙网络，进而机械钻具进行贯入式破岩。
26、作为进一步的，当当前长度的钻杆掘进完毕后，拧开钻杆连接处，将驱动机构整体后移，装入新的钻杆结构，延长整体钻杆长度，再次启动驱动机构，实现钻杆快接续。
27、作为进一步的，利用弧形传感器检测的当前岩石强度、岩石完整性、钻进位置及偏置情况，利用无线控制开关控制相应水射流末端喷嘴的开关，运用反作用力，与偏置情况相反的方向打开另外的水射流末端喷嘴，击碎硬质岩石环境，让钻头和钻杆回归至正确前进方向。
28、作为进一步的，根据试验数据，构建钻进速度模型：
29、h1＝vsλ1*pλ2*dλ3*fλ4
30、其中，vs为钻头旋转速度，p为泵组泵压，d为喷嘴直径，f为钻进推力，λi为待定系数，h1为钻进速度。
31、与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
32、本专利技术提供了一种新型联合钻具，将高压水射流和钻具结合到了一起，且钻具出水端共开若干个孔，各个孔距离钻头中心半径不同，与钻具的钻齿均匀分布，当钻头旋转进行掘进破岩的同时，水射流末端喷嘴从钻头之间的缝隙中射出，边掘进边高压射流；高压射流喷射出的混合磨料水射流压力较高，把高硬岩石的表面切割出裂隙网络，进而传统钻具进行贯入然后破岩，破岩效率显著提升。
33、本专利技术的新型联合钻具还可实现定向纠偏，通过传感器确定当前钻进位置及偏置情况，用无线控制开关控制射流孔(或水射流末端喷嘴)的开关，运用反作用力，与偏置情况相反的方向打开相应射流孔，击碎硬质岩石环境，让钻头钻杆慢慢回归正确前进方向。
34、本专利技术还设置有防护机构和清洁机构，整个实验平台配备有防护挡片，水射流钻机在本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种水射流机械联合钻具，其特征是，包括钻具本体，所述钻具本体的端部为钻头，所述钻具本体内部设置有容纳腔，所述容纳腔内设置有若干射流管路；
2.如权利要求1所述的一种水射流机械联合钻具，其特征是，相邻两组钻齿机构之间，在钻头的边缘设置有弧形传感器，用于感知岩石强度、岩石完整性、检测当前钻进位置和偏置情况。
3.如权利要求1所述的一种水射流机械联合钻具，其特征是，所述钻齿机构包括三组，圆周均匀布设在钻头上；每组钻齿机构包括若干排，每排包括若干切削齿；
4.一种水射流机械联合钻进破岩试验平台，其特征是，包括权利要求1-3中任一项所述的水射流机械联合钻具，以及岩石夹持装置、钻具执行机构、高压射流泵组和中控系统，其中：
5.如权利要求4所述的一种水射流机械联合钻进破岩试验平台，其特征是，所述试验平台包括一底座，所述底座上设置有沿水平第一方向设置的移动轨道，所述移动轨道上可移动设置有移动底板，所述移动底板上设置有角度调节机构，所述角度调节机构上设置有移动导轨，所述移动导轨沿水平第二方向设置，所述移动导轨上可移动设置有钻杆，钻杆下方设置有高度
6.如权利要求4所述的一种水射流机械联合钻进破岩试验平台，其特征是，所述驱动机构包括前进动力机构和旋转动力机构，所述旋转动力机构套设在钻杆外侧，所述前进动力机构套设在钻杆外侧；
7.如权利要求4所述的一种水射流机械联合钻进破岩试验平台，其特征是，所述岩石夹持装置包括固定框架，所述固定框架内设置有可调节的夹持机构，所述夹持机构用于夹持固定岩石试样，所述固定框架下端设置有射流岩渣收集装置；
8.如权利要求4-7中任一项所述的水射流机械联合钻进破岩试验平台的工作方法，其特征是，包括以下步骤：
9.如权利要求8所述的工作方法，其特征是，利用弧形传感器用于感知岩石强度、岩石完整性、检测当前钻进位置和偏置情况，利用无线控制开关控制相应水射流末端喷嘴的开关，运用反作用力，与偏置情况相反的方向打开另外的水射流末端喷嘴，击碎硬质岩石环境，让钻头和钻杆回归至正确前进方向。
10.如权利要求9所述的工作方法，其特征是，根据试验数据，构建钻进速度模型：
...【技术特征摘要】
1.一种水射流机械联合钻具，其特征是，包括钻具本体，所述钻具本体的端部为钻头，所述钻具本体内部设置有容纳腔，所述容纳腔内设置有若干射流管路；
2.如权利要求1所述的一种水射流机械联合钻具，其特征是，相邻两组钻齿机构之间，在钻头的边缘设置有弧形传感器，用于感知岩石强度、岩石完整性、检测当前钻进位置和偏置情况。
3.如权利要求1所述的一种水射流机械联合钻具，其特征是，所述钻齿机构包括三组，圆周均匀布设在钻头上；每组钻齿机构包括若干排，每排包括若干切削齿；
4.一种水射流机械联合钻进破岩试验平台，其特征是，包括权利要求1-3中任一项所述的水射流机械联合钻具，以及岩石夹持装置、钻具执行机构、高压射流泵组和中控系统，其中：
5.如权利要求4所述的一种水射流机械联合钻进破岩试验平台，其特征是，所述试验平台包括一底座，所述底座上设置有沿水平第一方向设置的移动轨道，所述移动轨道上可移动设置有移动底板，所述移动底板上设置有角度调节机构，所述角度调节机构上设置有移动导轨，所述移动导轨沿水平第二方向设置，所述移动导...
【专利技术属性】
技术研发人员：李彪，刘斌，张波，杨瑞，王亚旭，于虎，黄新杰，张建成，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
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