[0001] 本发明涉及井下钻进技术领域，具体是一种矿山井下冲击旋转联合钻进设备。

[0002] 在矿山井下勘探与开采的复杂环境中，冲击旋转联合钻进技术凭借其高效性和广泛的适应性，逐渐成为行业内关注的焦点并得到广泛应用。该技术结合了旋转切削与冲击破碎的双重优势，有效提升了钻井效率与岩层穿透能力。然而，尽管具有显著优势，传统的矿山井下冲击旋转钻进设备在应对多变且严苛的地下条件时，仍面临着一系列技术挑战与局限性。

[0003] 传统设备通常采用机械传动或液压传动系统作为核心动力源，通过外部钻柱传递轴向力，驱动钻头在岩层中推进。钻头内部集成的旋转机构，则依赖于电机或液压马达的驱动，实现旋转切削动作，以破碎岩层。为了进一步提升破岩效果，部分设备还额外配备了冲击装置，利用机械撞击或液压脉冲对岩层施加冲击力，加速破碎过程。

[0004] 然而，这种设计在实际操作中暴露出几个关键问题。首先，动力来源的单一性限制了设备的能量利用效率。传统设备主要依赖电机或液压马达提供动力，未能充分挖掘和利用冲洗液等流体介质所蕴含的能量，导致能量转换效率不高，增加了能耗成本。

[0005] 其次，设备缺乏足够的自适应调节能力。在矿山井下，岩层性质千差万别，硬度、强度及裂隙分布各异。传统设备往往无法根据实时地层条件自动调整钻进参数，如转速、冲击频率及轴向压力等，难以实现钻进过程的最优化控制，影响了钻井效率和破岩效果。

[0006] 此外，传统设备在缓冲保护、冲洗液利用及智能化水平等方面也存在明显不足。在钻井过程中，钻头易受到岩层反作用力的冲击，而传统设备的缓冲保护机制往往不够完善，难以有效减轻冲击对钻头的损害。同时，冲洗液的利用效率较低，未能充分发挥其在冷却钻头、清洗孔底及携带岩屑等方面的作用。

[0007] 因此，有必要研发一种矿山井下冲击旋转联合钻进设备，以解决上述问题。

[0020] 本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，这仅仅是描述本申请的实施例中对相同属性的对象在描述时所采用的区分方式。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便包含一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它单元。

[0021] 实施例：请参照图1‑图4，其中，图1为一种矿山井下冲击旋转联合钻进设备的主视结构示意图一，图2为一种矿山井下冲击旋转联合钻进设备的主视结构示意图二，二者的主要区别在于径向减摩组件9的状态不同，以便于更好的理解。

[0022] 本发明实施例中，提供了一种矿山井下冲击旋转联合钻进设备，包括：外筒1，其顶部与外部钻柱相连，所述钻柱用于驱动外筒1进行轴向移动；
内筒2，其外周侧固定有滑环5，所述滑环5与所述外筒1的内壁密封滑动相连，且使
得所述内筒2的部分结构伸出所述外筒1；
封环3，其固定嵌入于所述外筒1的内壁上，且所述封环3与所述滑环5之间设置有
碟簧6；
旋转驱动组件8，其设置于所述内筒2中，且具有一旋转驱动端，所述旋转驱动端连
接有钻头10；
其中，所述钻柱还用于向所述外筒1中供给冲洗液；
所述旋转驱动组件8至少包括固定于所述内筒2内壁上的定子81、配合于所述定子
81的转子82、转轴83，其中，所述转轴83作为所述旋转驱动端与所述钻头10相连。

[0023] 其中，所述冲洗液是指在钻探作业中，用于冷却钻头、清除孔底岩屑、驱动旋转部件（如转子）、支撑钻孔壁以及实现流体循环的液体介质。

[0024] 其中，外部钻柱驱动外筒1进行轴向移动，钻头10随之外筒1一同移动。这种移动使得钻头10能够深入岩层。

[0025] 而冲洗液在流经转子82与定子81之间的间隙时，能够驱动转子82旋转。转子82的旋转通过转轴83传递给钻头10，使钻头10实现旋转，从而破碎岩层。

[0026] 需要注意的是，当钻头10遇到难以破碎的岩层时，其前进速度可能减缓，而外筒1仍在以原速度移动。这时，滑环5会朝向碟簧6方向移动，形成外筒1与钻头10之间的相对位移。这种位移不仅保护了钻头10免受强行破岩可能造成的损坏，还通过压缩碟簧6储存能量。

[0027] 同时，由于相对位移，进入转子82与定子81间隙的冲洗液流量发生变化，产生脉冲效应，短暂提升了冲洗液的液压，进而增加转子82的转动速度，提高了破岩效率。

[0028] 一旦破岩效率提升，钻头10能够跟上外筒1的移动速度，滑环5复位，碟簧6释放能量，可能给钻头10带来额外的冲击，进一步促进破岩。

[0029] 也就是说，本实施例中，碟簧6和滑环5的相互配合提供了良好的缓冲机制，保护钻头10免受强行破岩可能造成的损坏，同时储存能量用于后续冲击，延长了钻头10的使用寿命，并且相对位移产生的冲洗液脉冲效应，能够短暂提升转子82转速，增加破岩效率，形成良性循环。

[0030] 本实施例中，所述内筒2的底部与所述转轴83密封转动相连，所述转轴83的中部具有连通所述钻头10的流道，所述转轴83位于所述内筒2中的部分结构上还开设有连通所述流道的进液孔84。

[0031] 也就是说，本实施例中，通过将内筒2的底部与转轴83密封转动相连，并在转轴83中部设置连通钻头10的流道，冲洗液不仅能够驱动转子82旋转，还能直接流经钻头10的内部。确保了冲洗液能够充分接触并冷却钻头10的工作面，有效降低了钻头10在高速旋转和破碎岩层时产生的热量，延长了钻头10的使用寿命。

[0032] 并且，冲洗液从钻头10内部排出时，能够强力冲洗孔底，将破碎的岩屑和杂质有效清除，保持钻孔的畅通和清洁。这有助于减少卡钻的风险，提高钻进效率。

[0033] 另外，冲洗液从钻头10内部喷出时，其高压和高速的冲击力能够辅助钻头10破碎岩层。

[0034] 本实施例中，所述滑环5上开设有多个通孔51，所述通孔51在所述滑环5的轴向上贯通所述滑环5。

[0035] 也就是说，本实施例中，将冲洗液分为两个部分，其中一部分冲洗液流经转子82和定子81之间的间隙并排出，从而实现对于转子82的驱动，而另一部分冲洗液通过滑环5上的通孔51排出，这部分冲洗液可以用于冲洗滑环5与外筒1内壁之间的间隙，减少摩擦和磨损，同时也有助于冷却滑环5和碟簧6等部件。

[0036] 而且通过调整通孔51的大小、数量和分布，可以灵活控制两部分冲洗液的流量比例，以满足不同的工作需求。例如，在需要增加破岩效率时，可以适当减少通过滑环5排出的冲洗液量，以增加驱动转子旋转的冲洗液量。

[0037] 此外，这些冲洗液还可以实现其他功能，以下详述。

[0038] 具体地，所述外筒1的底部还设置有径向减摩组件9，所述径向减摩组件9包括：减摩环座91，其固定于所述外筒1的底部，且能够为所述滑环5提供限位；
多个呈周向间隔分布的让位槽92，其开设于所述减摩环座91上；
支撑架93，其转动设置于所述让位槽92中；
驱动孔94，其开设于所述减摩环座91中，且所述驱动孔94的顶部与外筒1的内部连
通，所述驱动孔94的底部朝向所述支撑架93。

[0039] 那么在实施时，部分冲洗液则从滑环5位置处排出，并进入至驱动孔94中，该部分冲洗液从驱动孔94中排出时会对支撑架93产生一定的冲击力或力矩。

[0040] 这种冲击力或力矩会驱动支撑架93在让位槽92中发生偏转，直至其支撑面与钻孔壁接触。此时，支撑架93就起到了支撑外筒1并减少其与钻孔壁之间摩擦的作用，减少了卡钻现象。

[0041] 作为较佳的实施例，所述支撑架93的底部为弧形结构。

[0042] 弧形结构的底部结构使得支撑架93在接触钻孔壁时能够更自然地贴合不同形状和粗糙度的表面，从而提供更好的支撑效果和减摩性能。

[0043] 在钻孔过程中，设备需要克服来自钻孔壁的阻力才能继续前进。弧形结构有助于降低这部分阻力。这有助于降低设备的能耗和提高钻进效率。

[0044] 本实施例中，所述转子82的顶部固定有挂轴85，所述挂轴85的中部为贯通结构，且表面开设有排液孔87；所述内筒2的内壁上还固定有轴承架86，用于与所述挂轴85转动相连。

[0045] 本实施例中，挂轴85固定在转子82的顶部，作为转子82与内筒2之间的重要连接部件。它不仅确保了转子82能够牢固地安装在内筒2中，还通过其贯通结构和表面的排液孔87，为冲洗液的流动提供了通道。

[0046] 轴承架86固定在内筒2的内壁上，为挂轴85提供了精确的支撑和定位。通过轴承的滚动接触，轴承架86能够确保挂轴85（及与其相连的转子82）在旋转过程中保持平稳和低摩擦，减少了能量损失和磨损。

[0047] 另外，使用轴承架86可以更有效地分散和平衡转子82旋转时产生的力和力矩。有助于减少振动和噪音，提高设备的整体稳定性和使用寿命。

[0048] 本实施例中，所述内筒2的内壁上还固定有集液座88，所述集液座88与挂轴85转动相连，所述集液座88的中部具有喇叭孔89；所述封环3的内壁固定有导液环座4，所述导液环座4的外形对应于所述喇叭孔89，
以使得当所述导液环座4与所述集液座88卡合后，冲洗液仅从集液座88进入至转子82与定子81之间的间隙。

[0049] 本实施例中，集液座88固定在内筒2的内壁上，其中部的喇叭孔89用于引导冲洗液的流动。而导液环座4则固定在封环3的内壁上，其外形与喇叭孔89相对应。当钻进过程受阻（通常意味着钻头10需要更大的破岩力或者正在进行困难的破碎工作），碟簧6被较大程度压缩时，外筒1与钻头10之间的位移增大，此时导液环座4与集液座88卡合，形成了一个密封且导向的通道，使得冲洗液仅能从集液座88的喇叭孔89进入转子82与定子81之间的间隙，以驱动转子旋转，在这种情况下，冲洗液的一部分如前所述，用于驱动转子旋转；而另一部分原本可能流向径向减摩组件9的冲洗液，则被集液座88和导液环座4的组合阻挡，无法进入驱动孔94，当然，由于钻头10钻进过程受阻，径向减摩组件9的减摩效果不再是主要需求，因为设备的稳定性和破岩效率更为关键。因此，通过集液座88和导液环座4的配合，设备能够自动调整冲洗液的流向，确保所有冲洗液都用于驱动转子旋转，从而提升破岩效率。

[0050] 这种设计巧妙地利用了冲洗液的流向控制来实现径向减摩组件9工作状态的自动调整。无需额外的控制机构和传感器，仅凭冲洗液的自然流动和结构的巧妙配合即可实现。这不仅降低了设备的复杂性和成本，还提高了其可靠性和稳定性。

[0051] 本实施例中，所述内筒2与外筒1之间构成有环空，以容置部分碟簧6。

[0052] 碟簧6作为一种重要的弹性元件，起到了缓冲、减震和储能的作用。在钻进过程中，设备会受到来自钻孔壁的反作用力以及内部机械部件的相互作用力，碟簧6能够有效地吸收这些力，保护设备免受损坏，并提高设备的稳定性和耐用性，而通过合理布置碟簧，可以增强碟簧6在复杂地质条件下的稳定性，防止因振动过大而导致的设备失控或损坏。

[0053] 本实施例中，所述外筒1的外部还设置有扶正座7。

[0054] 本实施例中，扶正座7设置在外筒1的外部，主要起到扶正和导向的作用。在钻进过程中，设备需要保持一定的方向和稳定性，以避免偏离预定的钻孔轨迹。扶正座7通过与钻孔壁的接触和摩擦，能够帮助设备保持正确的方向，减少因偏移而产生的阻力和能耗。

[0055] 以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。