技术领域
[0001] 本发明属于地下工程技术领域，具体涉及一种水射流联合钻进装置及其方法。
相关背景技术
[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
[0003] 钻进装置一般是指工程上利用钻头在地下工程中工作，利用机械钻具破碎岩石或其他介质，形成并加深钻孔的作业装置。
[0004] 当遇到硬度超过设定值的岩石时，单纯的机械钻具的钻探效果明显较差。有部分研究人员提出在钻进装置上添加射流钻头，以提高破岩效果。但是，在实际使用时，射流切割仍然存在钻进空间有限，磨料/射流供给管路压力低，造成割缝压力较低、磨料混合不均等问题。
具体实施方式
[0060] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0061] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0062] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0063] 在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0064] 实施例一
[0065] 一种水射流联合钻进装置，如图1所示，包括联合钻具、钻机本体、气动螺旋供砂系统300、低压水供给单元和高压射流水动力单元400，其中：
[0066] 所述钻机本体上设置有联合钻具，所述钻机本体用于控制所述联合钻具的运动和作业；
[0067] 所述联合钻具，如图5所示，包括机械钻头、钻杆200和水射流喷嘴100，所述机械钻头和钻杆200连接，所述水射流喷嘴100设置于所述机械钻头的端面上，所述水射流喷嘴100内设置有若干高压射流通道、磨料混合通道和低压出水通路；所述钻杆200内对应设置有高压水管路通道、混合磨料介质通道和低压水通道，分别对应连接各通道/通路，磨料混合通道和高压射流通道连通；所述水射流喷嘴100的端面上设置有若干水射流出口，端面的外侧设置有若干低压水出口，所述水射流出口和对应的高压射流通道连通；所述低压水出口和对应的低压出水通路连接；
[0068] 所述高压水管路通道通过回转接头和高压射流水动力单元400连接；
[0069] 所述低压水通道通过回转接头和低压水供给单元连接；
[0070] 所述混合磨料介质通道通过回转接头和气动螺旋供砂系统300连接；
[0071] 所述气动螺旋供砂系统300，如图3所示，包括加压装置、砂罐和螺旋搅拌装置，所述砂罐内设置螺旋搅拌装置，用于均匀混合砂罐内的磨料，所述加压装置连接所述砂罐，用于为砂罐提供压力，使磨料从出砂管路内加压送出，流至混合磨料介质通道内。
[0072] 在本实施例中，所述出砂管路设置在砂罐底部，所述砂罐上部设置有进气管路，所述进气管路和加压装置通过供气管路连接。
[0073] 在本实施例中，钻杆200包括多个可拆卸连接的钻杆200，各钻杆200的两端分别设置有固定公头和固定母头，相邻钻杆200的固定公头和固定母头相适配。
[0074] 部分实施方式中，钻杆和钻杆之间通过两重方式进行快速接续钻杆，一是当接续钻杆时，将钻杆内部定位和提供扭矩的公头和母头相对接，内部有一路超高压硬质钢管管路和一路混合介质磨料管路，将超压水、磨料介质密封完毕；钻杆内的其余空间过低压水。
[0075] 通过上述方式，实现高压水的孔内的传输。内部的高压管路和磨料管路集成在钻杆上，钻杆定位和提供抗扭矩的公头母头对接时，内部管路也对接完毕；二是对接完毕后，卡上钻杆连接处的高强度固定扣，从而夹紧钻杆，实现快速接续。上述方案可实现钻杆和钻杆之间以及内部高低压管路的快速接续，实现超长超快钻。
[0076] 在部分实施例中，和所述钻头连接的钻杆200的表面设置有多个传感器，所述传感器分别用于监测钻探空间的温度，检测前方洞穴的成份，监测洞穴内水的压力监测、监测当前钻探空间的有毒有害气体，以及检测扭矩和钻机电机的反力。
[0077] 如图3所示，靠近回转接头的钻杆200处设置有一过渡钻杆，所述过渡钻杆的一端和回转接头连接，另一端和钻杆连接，所述过渡钻杆包括依次连接的耐磨固定件211、耐磨连接套212和连接件213，所述耐磨固定件211和所述回转接头可拆卸连接，所述连接件213和所述钻杆可拆卸连接。由于管路接续的过程中可能遇到回转中心来回拆卸导致极易损坏的可能性，因此增加耐磨套。该耐磨套可快速拆装钻杆。钻杆内部管路的连接件也在该处，可方便对钻杆内部的高压水和磨料管路进行快速装卸和后期维修。
[0078] 本实施例中，靠近回转接头的钻杆处设置的高压水管路通道或/和混合磨料介质通道连接有分通阀，将对应通道分为两个或三个。
[0079] 如图4所示，可以将高压管201(即高压水管路通道的简称)通过分通阀202将高压管一分为二或三通，形成至少两个高压水管203。也可以将磨料管路205(混合磨料介质通道的简称)通过分通阀分为两个管路，形成磨料管路一分二后的结构206，以和其他部分的相应通道/通路相对应连接。管路集成化高，将管路一份多，巧妙的根据需要进行管路布置。
[0080] 当然，其他实施例中，分通阀可以替换为其他装置，如三通等。
[0081] 在本实施例中，钻头内部设置有空腔，空腔内设置水射流喷嘴100，钻头端面中心设置有若干通孔，以和所述水射流喷嘴100相适配，水射流喷嘴100内部设置有并行的两路高压射流通道，以及并行的两路磨料混合通道，所述磨料混合通道分别和一高压射流通道通过一过渡管路连通；
[0082] 两个高压射流通道对称设置于所述水射流喷嘴100内，两个磨料混合通道对称设置于所述水射流喷嘴100内，磨料混合通道和高压射流通道之间相差90度；
[0083] 所述过渡管路与高压射流通道方向/磨料混合通道倾斜设置。
[0084] 在本实施例中，所述水射流喷嘴100的端面上设置有两个喷射口，喷射口分别和一高压射流通道连接；钻头的侧面上设置有多个低压水出口，分别设置于不同侧面上，如图6所示，图中红色部分为低压水出口，不设置于中心位置，而设置于侧部。
[0085] 钻头上或钻杆200内还设置有两个低压出水通路，并排设置，每个低压出水通路和对应低压水出口连通。如图5所示，可以在钻头上设置有凹槽，所述低压管路设置在凹槽内。
[0086] 如图2所示，本实施例的气动螺旋供砂系统300的砂罐304的顶部设置有一加砂口303，上部通过进气管路302连接供气气动301，砂罐304内部还设置有螺旋搅拌装置305，砂罐304底部设置砂路出口306，砂路出口306和出砂管路307连接。工作时，先将磨料从加砂口
303加入，然后将砂罐密封向内加压，气从上部加入，整个密闭气罐气压上升，将磨料从底部压出，但由于出砂的不均匀性，因此增加螺旋搅拌装置305，其目的是将磨料在气罐内均匀混合，然后加压均匀送出。
[0087] 本实施例的回转接头包括旋转端和固定端，所述旋转端套设在所述固定端中心处，两者通过法兰连接；
[0088] 所述固定端上设置有混合磨料传输通道和低压水进水通道，所述低压水进水通道的一端和所述联合钻具的钻杆200内部的低压水通道连接，另一端和低压水供给单元连接；
[0089] 所述混合磨料传输通道的一端和所述气动螺旋供砂系统300连接，所述混合磨料传输通道的该端部设置有过滤膜，另一端和混合磨料介质通道连接；
[0090] 所述旋转端和所述联合钻具的钻杆连接，内部开设高压水通路，高压水通路的一端和高压水管路通道连接，另一端和高压射流水动力单元400连接。
[0091] 实施例二
[0092] 基于实施例一种的钻进装置的工作方法，包括以下步骤：
[0093] 将钻进装置运输到需要钻进的指定位置，并连接各部件；
[0094] 组装联合钻具，连接钻进装置和联合钻具；
[0095] 打开气动螺旋供砂系统，进行磨料混合；
[0096] 调整钻进装置，使联合钻具处于合适的钻进角度，启动联合钻具；
[0097] 提供高压水射流，根据高压水射流射出时的气流扰动，形成负压，吸入混合后的磨料，提供给联合钻具，形成磨料和水射流的混合切割状态；
[0098] 当供给距离大于设定长度之后时，启动气动螺旋供砂系统的电机，释放经搅拌混合好后的混合磨料介质到旋转传输接头，实现远距离下混合磨料的主动供砂；
[0099] 在上述作业过程中，定期或不定期的为联合钻具的低压水通道提供低压水，流入到低压出水通路，从低压出水口排出，实现排渣。
[0100] 传输距离与其他参数的关系数学模型为：L＝η*ρ*P*S；
[0101] 其中，L为混合介质所需要传输的距离，η为待定系数，ρ为介质的密度，P为所提供的泵压，S为管路的横截面积。
[0102] 在钻进过程中，根据钻杆旋转电机的受力，钻机钻进推力油缸的钻进推力，计算岩石的强度，具体岩石强度的数学模型为：P＝η*N*F；其中，η为系数；N为油缸前进推力；F为电机扭矩；
[0103] 根据受力的均匀程度，确定前方岩石的完整性。
[0104] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，本领域技术人员不需要付出创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
