專利名稱：金屬熔化鉆孔方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熔化鉆孔法，用于在巖石內(nèi)掘進(jìn)尺寸準(zhǔn)確的尤其大直徑的孔，其中，廢熔體被壓入由于溫度和壓力作用而開(kāi)裂的周圍巖石中，以及，在鉆孔過(guò)程中通過(guò)凝固的熔體形成鉆孔套襯。
在巖石內(nèi)借助于熔化要?jiǎng)兾g的巖石加工鉆孔是眾所周知的。例如文件US 3357505公開(kāi)了一種鉆頭，借助它促使巖石熔化。
這種已知的用耐高溫金屬如鉬或鎢制成的鉆頭借助于加熱元件加熱到高于巖石熔點(diǎn)(1000-2000℃)的溫度，并借助昂貴的可加長(zhǎng)的推進(jìn)桿在高壓下壓入隨后熔化的巖石內(nèi)。
在鉆孔過(guò)程中形成的廢巖石熔體排出的問(wèn)題在這里采取這樣的措施解決，即，使巖石熔體進(jìn)入鉆頭的孔內(nèi)，然后通過(guò)高速氣流在一導(dǎo)管內(nèi)部被輸送到地面。
盡管是有抵抗能力的材料，但鉆頭在熔化的巖石的侵蝕作用下仍遭受嚴(yán)重的磨損，所以鉆頭有時(shí)必須更換。
此外還已知這樣來(lái)解決廢料排除的問(wèn)題，即，除了在鉆頭處在巖石熔體與周圍固體巖石之間必然存在的極高的溫度梯度之外使熔體受到高的壓力，以便通過(guò)溫度/壓力負(fù)荷促使周圍的固體巖石形成縫隙和開(kāi)裂，廢的巖石熔體可被壓入其中。因此采用這種方法不再需要將廢料輸送到地表面上。
同樣已知，在實(shí)施熔化鉆孔的過(guò)程中巖石熔體壓在鉆頭的周圍，因此在熔化鉆頭上方及周圍的熔體還尤其由于采取了冷卻措施而凝固，并使此鉆孔有一個(gè)均勻的玻璃狀熔體層形成的套襯。
由DE2554101已知這種設(shè)備，其中巖石用H2/O2火焰熔化。
在這種情況下帶來(lái)的問(wèn)題是，由于此鉆孔設(shè)備上方和周圍凝固的熔體，在鉆孔設(shè)備壁與鉆孔套襯之間形成粘著，這種粘著通常為了進(jìn)一步推進(jìn)鉆孔必須借助于特殊的液壓推進(jìn)和提升設(shè)備來(lái)克服。
因此，在這些已知的方法中在工作時(shí)必須使用持續(xù)的液壓，其結(jié)果是使整個(gè)鉆孔設(shè)備非常昂貴，因?yàn)樗仨氠槍?duì)高達(dá)數(shù)千噸的巨大的壓力設(shè)計(jì)。
此外，這些已知的設(shè)備必須配備昂貴的饋電線，以便為了加熱將巨大的能量經(jīng)若干公里的鉆孔深度供入鉆頭。
在這里由于熔體圍繞著鉆頭，使晚些時(shí)候提升鉆孔設(shè)備同樣帶來(lái)困難。
本發(fā)明的目的是提供一種節(jié)省能量可以通用的鉆孔方法，借助它可以在各種巖石基質(zhì)中既可水平地也可垂直地尤其按連續(xù)送進(jìn)的方式加工尤其有大的例如超過(guò)1米的鉆孔直徑的極深孔、探井和隧道，它們準(zhǔn)備好待用。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種可用的方法和實(shí)施此方法的設(shè)備，借助它可以在不采取附加的冷卻措施、無(wú)需費(fèi)時(shí)地裝配鉆桿、沒(méi)有運(yùn)動(dòng)構(gòu)件、無(wú)需更換鉆頭、無(wú)需輸送廢料以及無(wú)需事后的加套襯和下套管工作，經(jīng)濟(jì)和簡(jiǎn)單地實(shí)施一種熔化鉆孔過(guò)程。
本發(fā)明同樣針對(duì)所建議的在熔化鉆孔方法中通用的特殊材料。
此目的尤其按本發(fā)明采取這樣的措施達(dá)到，即，通過(guò)管件向通過(guò)熔化剝蝕的鉆孔底部供入含金屬的熔體作為鉆孔介質(zhì)。
也就是說(shuō)，為了實(shí)施此鉆孔方法，含金屬的熔體，它也可以理解為純粹是金屬的熔體例如鐵水，加熱到約2000℃的注入溫度，作為低粘度的鉆孔介質(zhì)注入沿鉆孔方向的第一個(gè)管件內(nèi)，所以金屬熔體直接在鉆孔底部的上方從最后一個(gè)管件排出，熔化和剝蝕鉆孔底部的巖石。
在這里為了有利于熔化的廢巖石的排除，使用權(quán)巖石有比金屬熔體明顯較低的密度，所以巖石熔體自動(dòng)漂浮在金屬熔體上。因此鉆孔底部自動(dòng)和連續(xù)地去除熔化的巖石熔體。
由于豎立在管件內(nèi)的金屬熔體柱形成的高的靜壓，在按本發(fā)明的方法中促使從最下部的那個(gè)管件排出的金屬熔體與廢料(巖石熔體)一起被導(dǎo)引至管件外側(cè)與鉆孔內(nèi)壁之間，它們?cè)谀抢镌阢@孔的推進(jìn)過(guò)程中凝固。因?yàn)榇算@孔過(guò)程不采取其他的冷卻措施，所以與已知的熔化鉆孔方法相比使能量和費(fèi)用節(jié)省50％以上。
凝固的也可涉及由金屬和巖石組成的熔體混合物的熔體，在管件與鉆孔內(nèi)壁之間構(gòu)成一個(gè)壓力塞，所以由于巖石內(nèi)極高的溫度梯度和所產(chǎn)生的壓力，自動(dòng)使巖石材料發(fā)生開(kāi)裂，在這種情況下首先將較輕的廢熔體壓入周圍的巖石中。
金屬熔體由于壓縮和凝固導(dǎo)致的消減，可以在鉆孔始端第一個(gè)管件處通過(guò)補(bǔ)充金屬熔體加以補(bǔ)償。這種補(bǔ)充既可以連續(xù)進(jìn)行也可間歇式進(jìn)行，因?yàn)樨Q在鉆孔底部以上的熔體柱的體積起備料的作用。
因此，按本發(fā)明可以在一個(gè)連續(xù)的鉆孔過(guò)程中通過(guò)對(duì)巖石熔體加壓制成一個(gè)尺寸穩(wěn)定有套襯尤其金屬澆注套襯的鉆孔，它可以有大的例如超過(guò)1米的直徑以及基本上可以有任意剖面形狀，在這里由于自動(dòng)形成此鉆孔的金屬澆注套襯，所以無(wú)需進(jìn)一步的補(bǔ)充工作便可滿足其使用要求。鉆孔不僅可以垂直進(jìn)行，而且也可以水平地以及與地面成其他角度地進(jìn)行，所以這些孔可針對(duì)完全不同的使用目的制造，例如用于地?zé)犭姀S、供應(yīng)管道或隧道。
這意味著，按本發(fā)明的金屬熔化鉆孔法在唯一的一個(gè)加工過(guò)程中熔化出一個(gè)鉆孔，鉆孔熔體壓入側(cè)面的巖石中，以及由冷卻后的巖石熔體形成一個(gè)被壓力壓緊的穩(wěn)定的鉆孔套襯，它同時(shí)還通過(guò)無(wú)縫的金屬壁加固鉆孔。
因此按本發(fā)明的方法公開(kāi)了這種有利的可能性，即，上述尺寸的鉆孔本身在有金屬套襯的情況下在一次加工過(guò)程式甚至鉆進(jìn)超過(guò)10公里深，無(wú)需輸送鉆孔熔體和采用冷卻劑，以及采用這種方法可以在溫度超過(guò)3000℃、巖石壓力超過(guò)1000bar、熔體切削壓工力達(dá)10000bar或更高以及在鉆孔目標(biāo)上的管件重量超過(guò)10000t的條件下加，這些在傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔技術(shù)中是做不到的。
特別有利的是，用鉆作孔介質(zhì)的熔體含有磁性金屬，例如鐵、鈷或鎳，或完全由這些金屬之一或金屬合金組成。在按本發(fā)明的方法中也可以用各種非磁性的金屬熔體例如銅來(lái)工作，然而在這里特別建議使用例如鐵水，因?yàn)檫@種熔體的成本低，鐵易于得到以及在大氣壓力下有約3000℃的高的蒸發(fā)點(diǎn)。
由于使用磁性熔體，如后面還要說(shuō)明的那樣，可以通過(guò)電磁操作或控制整個(gè)鉆孔設(shè)備。
因?yàn)樵诖巳刍@孔法中甚至可以在大氣壓下用約3000℃的過(guò)熱鐵水工作，所以對(duì)通過(guò)它們向鉆孔底部供入鐵水的管件提出了最高的材料要求。
通常建議，用于在巖石內(nèi)制成熔化鉆孔的完全不同的鉆孔設(shè)備，即借助它們可以熔化要?jiǎng)兾g的巖石，以及借助它們通過(guò)在熔化過(guò)程中產(chǎn)生的和/或在鉆孔內(nèi)加入的熔體可形成一個(gè)由凝固的熔體構(gòu)成的鉆孔套襯的那些鉆孔設(shè)備，按有利的方式設(shè)計(jì)為，將鉆孔設(shè)備與熔化的或凝固的熔料接觸的表面由一種耐高溫的材料制成。
至于鉆孔設(shè)備不僅涉及按本發(fā)明的設(shè)備，而且可以涉及所有例如由US 3357505和尤其由DE 2554101已知的熔化鉆孔設(shè)備。
在此應(yīng)當(dāng)指出，術(shù)語(yǔ)熔體既指的是在傳統(tǒng)的方法中形成的單純的巖石熔體，而且還指相應(yīng)于這里所介紹的按本發(fā)明的方法在鉆孔內(nèi)加入的熔體或形成的由兩者組成的混合熔體。
因此，優(yōu)選地將用來(lái)實(shí)施按本發(fā)明方法的管件設(shè)計(jì)為，與熔化或凝固的熔料接鉗子觸的表面也由耐高溫的材料制成。
按特別有利的設(shè)計(jì)，為了實(shí)施按本發(fā)明的方法，管件完全用這種優(yōu)選的材料制造，因?yàn)檫@樣可以避免各零件的復(fù)合結(jié)構(gòu)和過(guò)份復(fù)雜。
為了防止在凝固的熔體和鉆孔設(shè)備的構(gòu)件之間，尤其與按本發(fā)明的鉆孔設(shè)備的管件之間粘著，此材料例如應(yīng)選擇為，它的摩擦系數(shù)小于0.5以及此材料有小的表面張力，以便保證在材料與熔體之間不發(fā)生潤(rùn)濕作用。
例如石墨或金屬?gòu)?fù)合陶瓷適用于作為選擇的材料。
石墨作為用于鉆孔設(shè)備尤其用于管件的材料可以滿足提出的所有要求。例如，石墨平行于其分層是良好的熱和電導(dǎo)體，而垂直于分層則起隔離器的作用，因此石墨可用于金屬熔體的隔熱以及也可用于導(dǎo)電。此外，它有高的強(qiáng)度和高的淄滑性能，可以如金屬那樣工作以及在原始狀態(tài)可以尺寸準(zhǔn)確地預(yù)變形和成形。
此外，石墨有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，如希望的那樣它既不被金屬潤(rùn)濕也不被巖石熔體潤(rùn)濕，以及在正常的壓力下非氧化的環(huán)境內(nèi)耐達(dá)約3000℃。除此之外石墨的特征還在于，它的強(qiáng)度隨淄度上升目樣增加，在約2500℃時(shí)抗拉和抗壓旨度達(dá)到其最大值為約100和400Mpa。
但因?yàn)槭谟醒醯沫h(huán)境下從約400℃起氧強(qiáng)化，亦即燃燒，所以這種鉆孔方法優(yōu)選地在惰性氣體的環(huán)境下實(shí)施或至少開(kāi)始。惰性氣體優(yōu)選地涉及氬，它基于其高的比重不會(huì)自動(dòng)從鉆孔中逸出。隨著鉆孔過(guò)程的不斷推進(jìn)，石墨元素不再處于含氧環(huán)境，所以可以調(diào)整惰性氣體的供應(yīng)。
在此方法中所用的管件主要指的是一個(gè)個(gè)尤其用上述石墨制的圓柱段，它們有一中心孔。
一個(gè)個(gè)其中外徑與內(nèi)徑之比大，尤其大于10∶1的圓柱段可以互相連接，所以可構(gòu)成一個(gè)石墨管道，它在按本發(fā)明的熔化鉆孔法中既承擔(dān)熔化鉆頭、鉆孔設(shè)備軀干的功能，又起供應(yīng)和加壓桿的作用。
同樣有利的是，由于含有金屬，所以按本發(fā)明熔體可附加地通過(guò)電流加熱，以便保證熔體在加熱的液態(tài)到達(dá)鉆孔底部。
在這里例如作為導(dǎo)電液體的鐵水，既承擔(dān)向要熔化的巖石輸送能量的功能，又承擔(dān)電流導(dǎo)體的功能。
電流可在最上面的那個(gè)管件，亦即在鉆孔始端，通過(guò)在管件內(nèi)流動(dòng)的金屬熔體，經(jīng)由存在于鉆孔底部處的金屬熔體返回，通過(guò)外部已凝固的金屬鉆孔套襯閉合。同樣可能的是，電流通過(guò)石墨管道導(dǎo)引至在鉆孔底部上方的熔體。
在這里，加熱金屬熔體用的電流可以直接或通過(guò)感應(yīng)耦合到熔體中。
隨著鉆孔深度的不斷推進(jìn)，規(guī)定在鉆孔始端總是在前一個(gè)管件上固定另一些管件，亦即另一些石墨圓筒。
因此，最終的效果是構(gòu)成一個(gè)由石墨管組成的管道，它沿鉆孔的全部深度延伸。由于石墨比金屬熔體的比重小，所以石墨管道起先漂浮在熔體上，并在補(bǔ)充金屬熔體和剝蝕鉆孔底部的情況下逆深度方向滑動(dòng)。最終在為了向熔體加壓所需的壓力與基于豎立的石墨管和熔體柱的重力在熔體內(nèi)存在的壓力之間取得平衡。
在石墨管道下方熔體墊的厚度在這里約為10cm。鉆孔速度每秒約5mm，在這種情況下應(yīng)當(dāng)指出，按本發(fā)明的這種鉆孔不進(jìn)行鉆頭的更換，不實(shí)現(xiàn)冷卻以及不輸送廢料。
更換鉆頭是多余的，因?yàn)橛墒M成的管件在機(jī)械上可以是一致的，所以最下面的管件萬(wàn)一被燒掉也沒(méi)有問(wèn)題。不過(guò)在這種情況下應(yīng)當(dāng)注意，可能被燒掉的總是最下面的那個(gè)管件，在燃燒區(qū)的周圍沒(méi)有任何電氣元件，它們的燃燒會(huì)導(dǎo)致破壞或不正常工作。
按本發(fā)明的思想的一個(gè)要點(diǎn)是，在凝固的金屬澆注的鉆孔套襯與由石墨組成的管件外側(cè)之間，由于石墨不尋常的材料特性因而不令形成有妨礙的粘著，所以石墨管道實(shí)際上可以沒(méi)有明顯摩擦損失地沿深度方向滑動(dòng)，以及晚些時(shí)候同樣可輕易地提升。
由于石墨與熔體相比小的表面張力以及小的磨擦系數(shù)導(dǎo)致這種結(jié)果，甚至隨溫度的增加摩擦系數(shù)變得更小。
此外有利的是，各管件在其設(shè)計(jì)得特別厚的壁內(nèi)有可控制的磁性裝置，通過(guò)它們使管件可在凝固的金屬鉆孔套襯(按優(yōu)選取的方式它由鐵構(gòu)成)內(nèi)如磁滑體那樣被導(dǎo)引和/或固定。
為了保證能從鉆孔外部控制各電磁體，各管件有內(nèi)部控制導(dǎo)線和有互相對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)，磁性裝置通過(guò)它們可沿整個(gè)管道被供入控制信號(hào)。
采用這種設(shè)計(jì)可以在金屬的鉆孔套襯與上述磁性裝置之間實(shí)現(xiàn)一個(gè)磁性移動(dòng)場(chǎng)，所以通過(guò)相應(yīng)地控制磁性裝置，石墨管道可在鉆孔內(nèi)如一磁滑體上下移動(dòng)。這尤其使得有可能影響鉆孔底部的壓力狀況，以及在鉆孔的計(jì)劃完成時(shí)重新提升石墨管道。
因此，結(jié)合磁性的鉆孔套襯，通過(guò)電磁控制可以在管件上施加拉力、固定力或壓力。作用在深處的管件重力便可以操縱，從而也可以調(diào)整管件漂浮在它上面的熔體墊的厚度。
還可以采取措施使以后的提升變得更加容易，即最終完成的鉆孔補(bǔ)充注入尤其經(jīng)增壓的水，在意圖是開(kāi)采液體礦或能量礦的情況下，這種鉆孔的下部生產(chǎn)區(qū)保持不下套管，以及巖石熔體玻璃狀的鉆孔壁在水的輸送壓力下破碎，液體或高溫的地?zé)崴会尦觥?br> 按另一項(xiàng)設(shè)計(jì)，附加地規(guī)定在管件壁的內(nèi)部裝入另一些可控制的磁性裝置，它們對(duì)于要供入的金屬熔體起閥的作用，所以可以影響金屬熔體在管件內(nèi)部的流動(dòng)。
通過(guò)這些按本發(fā)明設(shè)置的閥(磁閥)，可以在每個(gè)管件內(nèi)通過(guò)鎖閉此磁閥支承豎立在鉆孔底部上面全部金屬熔體條的一部分，所以金屬熔體條逐漸增大的重量可以分布在多個(gè)支承點(diǎn)上，其結(jié)果是導(dǎo)致石墨管道的各個(gè)管件借助固定/導(dǎo)引磁體固定在鉆孔的鑄鐵套襯中。
因此有可能改變金屬熔體柱的重量壓力。例如通過(guò)有目的地打開(kāi)磁閥可將預(yù)定量的金屬熔體供入鉆孔底部，或通過(guò)同時(shí)開(kāi)啟全部磁閥脈沖式地使金屬熔體條的全部重力作用在鉆孔底部上。在10000m的深度，鐵水柱的壓力已經(jīng)超過(guò)7000bar。
通過(guò)脈沖式地控制這些閥，可以在鉆孔底部上方的熔體內(nèi)造成成振動(dòng)，它引起一種抽吸效果，由此使其鉆孔底部排除熔化的巖石并因而加快鉆孔的進(jìn)程。
按本發(fā)明用于構(gòu)成固定/導(dǎo)引磁體或磁閥或其他基其作用]以磁力為基礎(chǔ)的控制器的磁性裝置，可例如由在絕緣的石墨內(nèi)置入導(dǎo)電的石墨線圈組成。同樣可以設(shè)想，這些裝置由在線圈狀石墨通道內(nèi)流動(dòng)的金屬熔體構(gòu)成。在這種情況下這些通道可以設(shè)計(jì)在用石墨制成的管件內(nèi)。
為了開(kāi)始實(shí)施按本發(fā)明的熔化鉆孔法，有利的是使此熔化鉆孔過(guò)程在一個(gè)充填惰性氣體的預(yù)先鉆好的孔中開(kāi)始，此預(yù)鉆的孔用金屬管襯里。金屬管固定在地面上，尤其固定在鋼筋混凝土面板上。此下有鋼套管的預(yù)鉆孔應(yīng)有深度約30至50米，其中至少下面的幾米應(yīng)沒(méi)有金屬套管。
此外，有必要在鉆孔表面設(shè)電源設(shè)備、帶充填自動(dòng)機(jī)的金屬熔化設(shè)備以及用于各管件相互固定的設(shè)備。在按本發(fā)明的方法中另一些設(shè)備，例如超大尺寸的鉆塔或液壓式加壓和提升設(shè)備都是不必要的。
應(yīng)當(dāng)注意，鋼筋混凝土面板設(shè)計(jì)為恰當(dāng)?shù)暮穸炔⒋竺娣e地圍繞著鉆孔，以便在金屬熔化鉆孔過(guò)程開(kāi)始時(shí)以及在向巖石熔件和可能的金屬熔體部分開(kāi)始加壓時(shí)，防止熔體在周圍的巖石內(nèi)朝地面的方向貫穿。
因?yàn)橥ǔＴ趲r石內(nèi)已經(jīng)存在裂縫，所以為了進(jìn)一步擴(kuò)展存在的裂縫并允許加壓只需要幾十巴壓力。這意味著，傳統(tǒng)的預(yù)鉆孔的上述約30至50米的深度，足以使按本發(fā)明的金屬熔化法開(kāi)始實(shí)施。
在鉆孔的一開(kāi)始，第一個(gè)管件沉入加有金屬套管的預(yù)鉆孔內(nèi)，這借助于操作設(shè)備和/或借助于設(shè)在管件內(nèi)的導(dǎo)引/固定磁體進(jìn)行。在相應(yīng)地裝配多個(gè)管件使它們一直推進(jìn)到緊鄰鉆孔底部前之后，將金屬熔體注入管道內(nèi)部，直至金屬熔體在置入鉆孔內(nèi)的管件與傳統(tǒng)的預(yù)鉆孔之間上升到金屬套管的邊緣。在那里它與此金屬套管通過(guò)焊接相連。在這里，石墨管道的直徑尺寸應(yīng)確定為，使管件外側(cè)與金屬管內(nèi)側(cè)在加熱狀態(tài)互相貼靠閉合，以防液態(tài)的金屬熔體侵入。
由此構(gòu)成一壓力塞，所以熔化鉆孔過(guò)程可以開(kāi)始。此外，通過(guò)金屬熔體條或石墨管道與置入預(yù)鉆孔內(nèi)的金屬管之間的連接還閉合了用于補(bǔ)充加熱金屬熔體的電流回路。
為了優(yōu)化在鉆孔底部處巖石的排除，有利的是，最下面起鉆頭作用的那個(gè)管件至少有一個(gè)磁泵/噴嘴裝置，借助它可將金屬熔體以至少一股熔體射流的形式射在鉆孔底部上。
通過(guò)設(shè)置另一些可由流動(dòng)的金屬熔體本身構(gòu)成的感應(yīng)線圈(在鉆頭內(nèi)相應(yīng)的線圈狀流動(dòng)通道)，可以將熔體射流過(guò)熱為形成有數(shù)千度極高溫度的射流或漿體射流，借助它可達(dá)到極快的鉆孔進(jìn)程。
這種過(guò)熱的熔體射流或漿射流在侵入熔體內(nèi)時(shí)尤其在中部區(qū)造成局部過(guò)熱，所以在那里優(yōu)化了巖石的剝蝕。
此外，通過(guò)構(gòu)成至少一股優(yōu)選地可借助一設(shè)在最下面的那個(gè)管件內(nèi)的勵(lì)磁線圈定向的熔體射流，便有可能克服在鉆孔底部處巖石的不均勻剝蝕，巖石的這種不均勻剝蝕可能是由于不同的巖石種類/巖石內(nèi)的各向異性造成的。為此將熔體射流對(duì)準(zhǔn)鉆孔底部中剝蝕最小的部位。
例如通過(guò)熔體柱和/或石墨管道將電脈沖一直發(fā)送到鉆孔底部并測(cè)量從那里反射的脈沖的傳播時(shí)間，人們可以作出有關(guān)在鉆孔底部不均勻巖石剝蝕的圖象。通過(guò)熔體柱/石墨管的表面和脈沖的傳播時(shí)間可以編制和計(jì)算鉆孔底部的地形圖以及實(shí)施對(duì)熔體射流的控制。
根據(jù)熔體射流的方向，以有利的方式在圍繞著射流的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行更大量的巖石剝蝕，所以形成一個(gè)沿射流方向錐形的鉆孔底部，由此增大熱的金屬熔體的總作用面以及可實(shí)現(xiàn)更高的總剝蝕率。
在這里所提及的磁性裝置可通過(guò)組合在管件內(nèi)的控制線控制，在這種情況下可察覺(jué)到的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，這些磁性裝置無(wú)磨損地工作。
為保證組合在最下面的那個(gè)管件(鉆頭)內(nèi)的勵(lì)磁線圈裝置下方，金屬熔體射流能自由運(yùn)動(dòng)，恰當(dāng)?shù)氖窃阢@頭內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)尤其布置在中心的漏斗形槽，在槽的內(nèi)部熔體射流例如可沿所有的方向相對(duì)于金屬熔體柱回轉(zhuǎn)至60度。
鉆孔過(guò)程還可以有利地這樣優(yōu)化，即，使在鉆孔底部上方的熔體旋轉(zhuǎn)，所以與金屬熔體相比較輕的巖石熔體向上并通過(guò)離心力向外輸送以及被壓入裂縫中。
在這里，熔體的旋轉(zhuǎn)可由磁性裝置引起，磁性裝置還可使熔體射流偏轉(zhuǎn)。在這里熔體的旋轉(zhuǎn)軸線通過(guò)熔體射流給定，所以也可以調(diào)整熔體的旋轉(zhuǎn)軸線。
有利的是至少在最下面的管件內(nèi)沿此管件的全長(zhǎng)分布地，但優(yōu)選地在多個(gè)下部管件內(nèi)，設(shè)一些按一致的方式作用在熔體上的控制元件，它們促使熔體旋轉(zhuǎn)或射流定向。在這種情況下燒掉管件并無(wú)損害以及并不影響對(duì)熔體(射流)的控制。
例如為了掘進(jìn)10公里深的鉆孔可采用長(zhǎng)度超過(guò)100米有一致的管件的下部區(qū)，所以即使在深孔末端處發(fā)生大量的燒損，仍有一個(gè)可控制的管件構(gòu)成鉆頭。
作為一種簡(jiǎn)單的實(shí)旋形式，控制元件可涉及至少三個(gè)與熔體接觸的電流導(dǎo)體，它們置入管件內(nèi)。通過(guò)用多相電流控制這些導(dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)熔體旋轉(zhuǎn)。通過(guò)這些相有不同的電流強(qiáng)度，可以使旋轉(zhuǎn)熔體的旋轉(zhuǎn)軸線回轉(zhuǎn)尤其約達(dá)60°。
如早先已提及的那樣，控制元件同樣可以由石墨線圈或在通道內(nèi)流動(dòng)的熔體構(gòu)成。
可能被一起壓入的金屬熔體部分可采取這樣的措施回收，即這些熔體部分也可用電流加熱，因此它們保持液態(tài)并在重力作用下重新朝鉆孔底部方向沉陷。
從巖石裂縫中回收金屬熔體部分的有利措施還有，可通過(guò)設(shè)在管件內(nèi)的磁體在壓入的金屬熔體部分上施加一吸引力。
在磁性吸力影響下有利于構(gòu)成鉆孔純粹的金屬套襯。
通過(guò)此吸力的影響還同樣可以特意制成沒(méi)有套襯的鉆孔。為此在鉆孔過(guò)程中切斷產(chǎn)生吸力的磁性裝置，所以較輕的巖石熔體始終懸浮在金屬熔體上并凝固，而沒(méi)有被吸引力推走。
因此，以此方式構(gòu)成了由純粹的巖石形成的套襯。
附圖
示意表示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
置入并固定有一個(gè)例如鋼制的厚壁金屬管(3)的在地基內(nèi)預(yù)先鉆好的孔，保證開(kāi)始實(shí)施金屬熔體鉆孔法，無(wú)需附加的冷卻。
由多個(gè)完全用石墨制造的管件(9)組成的管道(1)首先通過(guò)液壓自動(dòng)機(jī)(操作機(jī))由一個(gè)個(gè)管件(9)以元件與元件的方式與鉆頭元件(18)組合。
(為了看得清楚起見(jiàn)，在示意圖中一些地面設(shè)備，如操作機(jī)、帶澆注裝置的金屬熔化設(shè)備以及帶電流接頭的電源設(shè)備末表示)。
一旦石墨管道(1)通過(guò)其管件(9)滑入預(yù)鉆孔的充填惰性氣體的金屬管(3)內(nèi)，導(dǎo)引和固定磁體(8)便承擔(dān)進(jìn)一步推進(jìn)石墨管道(1)的任務(wù)。若到達(dá)預(yù)鉆孔套管(3)的末端以及鉆頭元件(18)到達(dá)鉆孔底部前一掌寬的地方，便可以通過(guò)注入例如鐵水開(kāi)始金屬熔化鉆孔過(guò)程，并連續(xù)進(jìn)行直至達(dá)到鉆孔目標(biāo)，而由于在金屬熔體條(2)內(nèi)儲(chǔ)備的熔體，所以鐵水的供入(10)可以不連續(xù)地進(jìn)行，在此間隔時(shí)間內(nèi)可通過(guò)在地面的操作機(jī)實(shí)施石墨管道(1)以逐個(gè)元件的方式加長(zhǎng)。
通過(guò)起動(dòng)至少一臺(tái)磁泵(4)和磁噴嘴(5)，一個(gè)確定量的金屬熔體條(2)已經(jīng)過(guò)熱的鐵水，被磁力壓縮、進(jìn)一步過(guò)熱并在高壓下通過(guò)磁噴嘴(5)壓出，以及作為熔體或漿射流射在鉆孔底部(19)上，與此同時(shí)由于過(guò)程的快速進(jìn)行形成了一股脈沖射流(17)，從而更加強(qiáng)化了熔化和剝蝕作用。
為了保證在鉆孔底部均勻地剝蝕，鐵水射流通過(guò)至少三個(gè)旋轉(zhuǎn)磁體(6)如一圓錐(14)那樣按“射流滾刀(Fluidrollenmeissel)”的作用方式繞熔體射流的軸線(15)旋轉(zhuǎn)，此錐體可在磁力作用下沿所有的方向回轉(zhuǎn)約60度角。因?yàn)槿垠w射流通過(guò)作用在它上面的磁力自動(dòng)地隨同每一次的回轉(zhuǎn)，所以保證在石墨管道(1)鉆頭元件(18)前巖石的均勻剝蝕。
金屬熔體錐(14)的控制通過(guò)設(shè)在管件內(nèi)的控制線從地面出發(fā)進(jìn)行。
鐵水和釋放的巖石熔體在熔體內(nèi)壓力升高的情況下充填在石墨管道(1)鉆頭元件(18)周圍可用的空腔內(nèi)。一部分鐵水在鉆頭元件(18)上方被固定磁體(8)按要求的厚度，例如預(yù)鉆孔金屬管厚度，同心地圍繞著石墨管道(1)，并在連續(xù)推進(jìn)的熔化鉆孔過(guò)程中構(gòu)成統(tǒng)一的鑄鐵套管(11)。
由于鐵水的比重使得較輕的巖石熔體上浮，并在泵入的熔體的壓力下或在向前推送的石墨管道(1)的壓力下，由于巖石開(kāi)裂而被壓入側(cè)面的巖石中。同時(shí)受壓的鐵水借助于電流加熱，并在石墨管道(1)推進(jìn)時(shí)由于重力重新流回位于低處熔體錐(14)周圍的熔體區(qū)內(nèi)。
鉆孔推進(jìn)速度隨熔體射流的溫度和它相對(duì)于周圍熔體的壓力升高而增大并取決于其脈沖序列(抽吸效果)以及熔體射流的旋轉(zhuǎn)速度或旋轉(zhuǎn)熔體的旋轉(zhuǎn)速度。
隨著鉆孔深度的增加，石墨管道(1)連同金屬熔體條的自重增大，直至其重量和在熔體區(qū)內(nèi)為熔體加壓所需的壓力取得平衡，以及石墨管道(1)仿佛在一個(gè)熔體墊上滑動(dòng)似的。
安裝在每一個(gè)石墨管件內(nèi)的磁閥(7)用來(lái)保證維持此狀態(tài)，每一個(gè)磁閥支承一部分金屬熔體條，所以在深度增大時(shí)增加的金屬熔體條的重量分布在許多固定點(diǎn)上。這同樣適用于在石墨管道外部區(qū)內(nèi)的固定磁體(8)。
若在金屬熔體條(2)中建立了足夠的重量壓力，則此液壓與磁泵(4)和磁噴嘴(5)相結(jié)合，可以利用來(lái)構(gòu)成熔體射流(15)，為此脈沖式地同時(shí)打開(kāi)所有的磁閥(7)并釋放一個(gè)小的具體量的鐵水。當(dāng)所有磁閥(7)同時(shí)打開(kāi)時(shí)，在10000米處鐵水柱的壓力已超過(guò)7000bar。
在金屬熔體條(2)停泵和到達(dá)鉆孔目標(biāo)后，石墨管道(1)借助固定和導(dǎo)引磁體(8)重新回滑以及石墨管道分解成一個(gè)個(gè)元件。為此可向鉆孔補(bǔ)充注入增壓水。
權(quán)利要求
1.熔化鉆孔法，用于在巖石內(nèi)掘進(jìn)尺寸準(zhǔn)確的尤其大直徑的孔，其中，廢熔體被壓入在溫度和壓力作用下開(kāi)裂的周圍巖石內(nèi)，以及，在鉆孔過(guò)程中通過(guò)凝固的熔體形成鉆孔的套襯，其特征為通過(guò)管件向通過(guò)熔化剝蝕的鉆孔底部供入含金屬熔體作為鉆孔介質(zhì)。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為從最下面的那個(gè)在鉆孔底部上方的管件排出的含金屬熔體，被導(dǎo)引在管件外側(cè)與鉆孔內(nèi)壁之間并在那里凝固。
3.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為凝固的熔體構(gòu)成一壓力塞。
4.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為含金屬的熔體用電流加熱。
5.按照權(quán)利要求4所述的方法，其特征為電流通過(guò)在管件內(nèi)流動(dòng)的熔體和凝固的鉆孔套襯閉合。
6.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為隨著鉆孔的進(jìn)展，在鉆孔的始端將另一些管件總是固定在先前的那個(gè)管件上。
7.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為由于壓縮和凝固形成的含金屬熔體的消減，在鉆孔始端通過(guò)補(bǔ)充熔體加以補(bǔ)償。
8.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為熔化鉆孔過(guò)程在一個(gè)預(yù)先鉆好的孔中開(kāi)始，它用一金屬管襯里，金屬管固定在地面上，尤其固定在鋼筋混凝土面板上。
9.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為熔化鉆孔過(guò)程在惰性氣體的環(huán)境下開(kāi)始。
10.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為管件沉入金屬管內(nèi)直至鉆孔底部上方不遠(yuǎn)處。
11.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為管件的下沉借助操作機(jī)和/或借助布置在管件內(nèi)的導(dǎo)引/固定磁體進(jìn)行。
12.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為為了便于管件的回收(提升)，鉆孔尤其用壓力水灌注。
13.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為最下面的那個(gè)管件有至少一個(gè)磁泵/噴嘴裝置，借助此裝置將金屬熔體以至少一股熔體/漿射流的形式射在鉆孔底部上。
14.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為至少最下面的那個(gè)管件有至少一個(gè)控制器，通過(guò)它使熔體/漿射流定向和/或借助它使處于鉆孔底部上方的金屬熔體旋轉(zhuǎn)。
15.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為熔體射流尤其借助一感應(yīng)線圈裝置進(jìn)一步加熱并形成一股漿的射流。
16.用于實(shí)施按照前列諸權(quán)利要求之一所述方法的含金屬的熔體，其特征為熔體含有磁性的金屬，尤其是鐵，或完全由這些金屬組成。
17.在巖石內(nèi)制造尤其大直徑的熔化鉆孔的鉆孔設(shè)備，借助它可熔化要?jiǎng)兾g的巖石，以及借助它通過(guò)在熔化過(guò)程中形成的和/或加入鉆孔內(nèi)的熔體，可形成一個(gè)由凝固的熔體構(gòu)成的鉆孔套襯，其特征為鉆孔設(shè)備與熔化的或凝固的熔料接觸的表面用耐高溫的材料制造。
18.實(shí)施按照前列諸權(quán)利要求之一所述方法的鉆孔設(shè)備，其特征為它由多個(gè)互相連接的管件組成，通過(guò)它們可向鉆孔底部供入作為鉆孔介質(zhì)的含金屬的液態(tài)熔體。
19.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的鉆孔設(shè)備，其特征為管件與熔化的或凝固的熔料接觸的表面用耐高溫的材料制造。
20.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的鉆孔設(shè)備，其特征為管件完全用耐高溫的材料制造。
21.按照前列諸權(quán)利要求之一使用的材料，其特征為材料有低的尤其小于0.5的摩擦系數(shù)和小的表面張力。
22.按照前列諸權(quán)利要求之一使用的材料，其特征為此材料所涉及的是石墨或金屬?gòu)?fù)合陶瓷。
23.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的鉆孔設(shè)備，其特征為一個(gè)管件相當(dāng)于一個(gè)有中心孔的圓柱段。
24.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的鉆孔設(shè)備，其特征為管件外徑與內(nèi)徑之比大，尤其大于10∶1。
25.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的鉆孔設(shè)備，其特征為在管件的壁內(nèi)裝有可控制的磁性裝置，它們與金屬的鉆孔套襯相結(jié)合可用作固定和/或?qū)б朋w。
26.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的鉆孔設(shè)備，其特征為在管件的壁內(nèi)裝磁性裝置，它們對(duì)于要導(dǎo)引的熔體而言可用作閥。
27.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的鉆孔設(shè)備，其特征為最下面的那個(gè)管件構(gòu)成鉆頭并有一個(gè)尤其設(shè)在中心的漏斗形槽。
28.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的鉆孔設(shè)備，其特征為至少最下面的那個(gè)管件有至少一個(gè)磁性裝置，它們構(gòu)成用于輸送熔體和尤其用于形成至少一股可定向的熔體射流的泵。
29.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的鉆孔設(shè)備，其特征為至少在最下面的那個(gè)管件內(nèi)設(shè)控制元件，通過(guò)它們可以使熔體旋轉(zhuǎn)和/或回轉(zhuǎn)或可使熔體/漿射流定向。
30.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的鉆孔設(shè)備，其特征為控制元件由至少三個(gè)與熔體接觸的電流導(dǎo)體組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熔化鉆孔法,用于在巖石內(nèi)掘進(jìn)尺寸準(zhǔn)確的尤其大直徑的孔,其中,廢熔體被壓入在溫度和壓力作用下開(kāi)裂的周圍巖石內(nèi),以及,在鉆孔過(guò)程中通過(guò)凝固的熔體形成鉆孔套襯,在這里通過(guò)管件向通過(guò)熔化剝蝕的鉆孔底部供入含金屬的熔體作為鉆孔介質(zhì)。此外,優(yōu)選地采用磁性金屬制的熔體。本發(fā)明還涉及一種實(shí)施此方法的鉆孔設(shè)備以及在此方法中使用的材料。
文檔編號(hào)E21B7/14GK1342242SQ00804414
公開(kāi)日2002年3月27日 申請(qǐng)日期2000年2月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月5日
發(fā)明者維爾納·福佩 申請(qǐng)人:維爾納·福佩