專利名稱：用來破碎巖石的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來對巖石鉆孔中將被鉆孔的巖石進行破碎的方法，在該方法中，通過工具，使被鉆孔的巖石經(jīng)受連續(xù)應(yīng)力波，使得從該工具傳遞到巖石的應(yīng)力波能量引起巖石破裂。
背景技術(shù)：
在巖石鉆孔等等中，經(jīng)由例如鉆桿或在其端部的鉆頭的工具，通過把應(yīng)力波引導到巖石上，從而破碎巖石。現(xiàn)在通常通過沖擊活塞撞擊該工具的端部從而產(chǎn)生應(yīng)力波，該沖擊活塞借助于液壓介質(zhì)在鉆巖機或沖擊裝置中來回運動。在巖石鉆孔中，應(yīng)力波的供給和工具的旋轉(zhuǎn)同時發(fā)生，但巖石材料的破碎實際上基于從工具傳遞到巖石的應(yīng)力波的能量。
通常，有大約50％到80％的應(yīng)力波內(nèi)能被傳遞到將被破碎的巖石上。傳遞到巖石材料的能量引起宏觀裂縫、巖石材料的破碎和彈性波。彈性波含有的能量隨著巖石材料的破碎而失去。在另一方面，關(guān)于破碎，產(chǎn)生宏觀裂縫比壓粉碎石材料更有效。由于宏觀裂縫，較大的顆粒從巖石材料上分離，而在粉碎過程中巖石材料被完全碾碎成細顆粒，這需要大量的能量。因此，優(yōu)選的是，產(chǎn)生盡可能多的宏觀裂縫以取代粉碎巖石。
當前的沖擊裝置產(chǎn)生低頻率的，通常為20Hz到100Hz的應(yīng)力波，應(yīng)力波的長度相當短，即大約0.2m到1.6m。同時，應(yīng)力波的振幅和內(nèi)能較高。振幅最大通常為200MPa到300MPa。由于應(yīng)力波的振幅，因而有必要設(shè)計鑲齒鉆頭(button bit)以用來經(jīng)受高的載荷水平。因此，在鑲齒鉆頭中必須有許多碎石鑲齒，并且這些鑲齒必須被設(shè)計成經(jīng)受住載荷峰值。因此，鑲齒鉆頭的形狀不利于破碎巖石。因此，被稱為鑲齒鉆頭的穿透阻力、用于表示鑲齒鉆頭施加在巖石上的力與鑲齒穿透的力的比例很大。
高能量水平結(jié)合鑲齒的不利形狀導致在破碎和分離巖石中效率低下。因此，高的應(yīng)力波振幅值導致所使用的鉆孔設(shè)備例如鉆桿和鑲齒的使用壽命較短。優(yōu)選的是，關(guān)于產(chǎn)生宏觀裂縫，能夠使用稱為主動成形鑲齒的零件，但這在當前的應(yīng)力振幅水平下是不可行的。如果可以使用這種鑲齒，則與當前解決方案相比，可使巖石的破碎顯著地更加有效。
在開發(fā)當前解決方案中，焦點通常在于，使用比以前更大的沖擊功率并因而使用更高的應(yīng)力波振幅。然而，令人驚訝地，已經(jīng)注意到，使用根據(jù)本發(fā)明的方法，與當前趨勢相反的，通過使用顯著地低于當前的應(yīng)力波振幅，可以實現(xiàn)相同的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用來破碎巖石材料的方法，該方法比現(xiàn)有的效率更高，并且同時增加設(shè)備的耐用性和使用壽命。
本發(fā)明所述方法的特征在于，以高的頻率將應(yīng)力脈沖施加在巖石上且應(yīng)力波的振幅較低，使得基于應(yīng)力波的長度和頻率的值計算得到的載荷比例至少為0.075。
本發(fā)明的基本思想是使用基本上高于當前頻率的應(yīng)力波頻率，因此與應(yīng)力波的周期時間相比，應(yīng)力波基本上長于當前應(yīng)力波，由此可使用來破碎巖石的載荷比例基本上高于當前設(shè)備的載荷比例。
本發(fā)明的優(yōu)點是，低于當前振幅的應(yīng)力振幅足以以較高的載荷比例來破碎巖石。此外，本發(fā)明的優(yōu)點是，鑲齒鉆頭的鑲齒不必根據(jù)高應(yīng)力峰值的要求而成形，而是鑲齒可被設(shè)計在較低的應(yīng)力水平以更有效，使得鑲齒對巖石的破碎效果大于當前鑲齒鉆頭的效果。而且，使用較低的應(yīng)力波振幅允許使用比以前較輕的工具，即鉆桿和其它裝置，而同時可延長工具的使用壽命。


將在附圖中更詳細地描述本發(fā)明，其中圖1示意性地并按時間地示出當前沖擊裝置的應(yīng)力脈沖；圖2以相同于圖1的方式示出應(yīng)用本發(fā)明的方法的沖擊裝置的應(yīng)力脈沖；和圖3示意性地示出應(yīng)力波。
具體實施例方式
圖1示意性地并按時間地示出了根據(jù)當前技術(shù)起作用的沖擊裝置提供的應(yīng)力波相互之間的關(guān)系。豎軸表示應(yīng)力波的應(yīng)力振幅σ，而水平軸表示時間t。如從圖1可見，與兩個應(yīng)力波之間的周期時間T相比，應(yīng)力波的長度tp相當短。這是基于由沖擊活塞在鉆桿上的撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力波，該作用與沖擊活塞的長度成比例，且因而相當短。由于沖擊活塞的往復運動，沖擊頻率現(xiàn)在通常約為20Hz到100Hz，因此，與相繼撞擊之間的時間相比，由該撞擊提供的應(yīng)力波在時間上的長度很短。同時，產(chǎn)生的應(yīng)力波的振幅σ通常較高，即200MPa到300Mpa。
而圖2示出使用根據(jù)本發(fā)明的方法產(chǎn)生的應(yīng)力波。在根據(jù)本發(fā)明的這個解決方案中，可注意到，與圖1的應(yīng)力波相比，應(yīng)力波的振幅顯著較低。由于在本發(fā)明的方法中應(yīng)力波的頻率基本上高于已知解決方案中的應(yīng)力波頻率，因而與應(yīng)力波之間的時間T相比，應(yīng)力波的長度tp顯著大于已知解決方案中的應(yīng)力波長度。
破碎巖石中的術(shù)語“載荷比例α”定義了被破碎的巖石是如何按時間加載的。這可以用以下公式表達
α=tpT=tpf=Lpfc---(1)]]>其中tp是應(yīng)力波的長度，f是頻率，Lp是波長，且c是工具中的應(yīng)力波的速度。對于當前沖擊裝置，典型的載荷比例為α＝0.01到0.025例如，對于具有0.5m的活塞長度和60Hz的頻率的沖擊裝置，載荷比例是0.012。
采用根據(jù)本發(fā)明的方法，實現(xiàn)了明顯更高的載荷比例，因此α≥0.075，優(yōu)選地至少0.1。
在理論上，最大載荷比例是1，但在實際上它不可能是1。產(chǎn)生應(yīng)力波的裝置的一部分時間用來實際產(chǎn)生應(yīng)力波，而一部分時間用來返回，即移動到用來產(chǎn)生應(yīng)力波的位置。在實踐中，這意味著由于返回速度實際上不能大于應(yīng)力波的產(chǎn)生速度，因而最大載荷比例實際上近似為0.5。
對于矩形應(yīng)力脈沖，通過工具從沖擊裝置供給到將被破碎的材料(例如巖石)的能量W和功率P可由以下公式定義W=AkcEktpσ2---(2)]]>P=Wf=AkcEktpσ2f=AkcEkασ2---(3)]]>其中Ak是所用工具(即鉆桿)的橫截面面積，且Ek是該工具的彈性模量值。
如果希望使用高于當前裝置的載荷比例的載荷比例，則不再能夠使用當前大小的應(yīng)力振幅。這將導致鉆孔設(shè)備的使用壽命大大縮短。而且，有效地使用該方法所需要的設(shè)置了有效鑲齒的鑲齒鉆頭不能經(jīng)受當前的載荷水平。此外，沖擊裝置所需的沖擊功率將從目前水平增加到4到10倍。
通過例如增加應(yīng)力波的頻率，可以增加載荷比例。通過應(yīng)用這個原理，利用沖擊功率的一致性，通過以下公式可以確定應(yīng)力波的振幅σ=σrefeαrefeα---(4)]]>其中σrefe是參考振幅，即當前沖擊裝置的典型應(yīng)力水平，且αrefe是相應(yīng)的參考載荷比例。如果選擇現(xiàn)在使用的最高應(yīng)力值(即300MPa)作為參考振幅σrefe，且選擇0.025作為載荷比例αrefe，最大振幅將是σ<0.025α300MPa---(5)]]>根據(jù)本發(fā)明，使用這樣的應(yīng)力波頻率，其基本上高于當前解決方案中的應(yīng)力波頻率，即至少為250Hz，優(yōu)選地大于350Hz，例如350Hz到1000Hz。
當在上述頻率下載荷比例至少為0.075時，通過將150MPa作為最大振幅，利用根據(jù)本發(fā)明的方法，從而獲得高效率的鉆孔效果。即使振幅較低也能獲得好的效果，但破碎巖石仍然明顯需要相當高的振幅水平。在實際中已經(jīng)注意到，當應(yīng)力振幅大約為25MPa時，但優(yōu)選地大約為40MPa或更高時，本發(fā)明方法的優(yōu)點開始顯示出來。
在具有沖擊活塞的當前裝置中，應(yīng)力波在理論上近似具有矩形脈沖的形狀，且其長度被限定為沖擊活塞長度的兩倍。如果以不同于用沖擊活塞撞擊所述工具的方式產(chǎn)生應(yīng)力波，則應(yīng)力波的形狀可能如圖3所示方式顯著地偏離矩形形狀。在這種情況下，應(yīng)力波的振幅是指以圖3所示方式的振幅的最大值σmax，并且應(yīng)力波的長度可被限定為基本上與圖3一致，從而使應(yīng)力波的長度是當應(yīng)力波上升時應(yīng)力超過0.1×σmax值的點和相應(yīng)的、當應(yīng)力波下降時應(yīng)力降到0.1×σmax值以下的點之間的時間。
產(chǎn)生應(yīng)力波的其它方式包括電子設(shè)備或電磁設(shè)備，其中應(yīng)力波的產(chǎn)生是基于例如供給的電流長度或類似脈沖狀電流的脈沖長度。產(chǎn)生應(yīng)力波的又一些其它方式包括利用加壓流體的壓力施加能量產(chǎn)生應(yīng)力波，例如通過充入能量到應(yīng)力元件并把該能量作為壓縮能量釋放到工具上；或者通過使工具直接經(jīng)受由加壓流體的壓力提供的壓縮力，從而產(chǎn)生應(yīng)力波。因此，在實施例中，通過在產(chǎn)生應(yīng)力脈沖的時間周期內(nèi)使加壓流體的壓力直接地或間接地作用于工具的端部，以致于由壓力產(chǎn)生的力擠壓該工具，從而產(chǎn)生壓縮力。在所有這些替代性方案中，應(yīng)力波的產(chǎn)生優(yōu)選地通過周期性地使例如鉆桿的工具經(jīng)受壓縮力而不經(jīng)受沖擊活塞的撞擊，來使得壓縮力在作用于工具的時間內(nèi)在工具中產(chǎn)生應(yīng)力波。因此，當應(yīng)用這種方法時，通過調(diào)節(jié)工具上的壓縮力的有效頻率和有效時間，來調(diào)節(jié)應(yīng)力波的頻率和長度。
在上述描述部分和附圖中僅以示例的方式闡述了本發(fā)明，并且本發(fā)明決不限于上述描述部分和附圖。本質(zhì)的是，應(yīng)力波的頻率顯著高于當前沖擊頻率，并且由該應(yīng)力波提供的載荷比例顯著大于由當前裝置提供的載荷比例，并且應(yīng)力振幅顯著低于當前應(yīng)力波的振幅。
權(quán)利要求
1.一種用來在巖石鉆孔中對被鉆孔巖石進行破碎的方法，在該方法中，通過工具，使被鉆孔的該巖石經(jīng)受連續(xù)應(yīng)力脈沖，使得從該工具傳遞到該巖石的應(yīng)力波能量造成該巖石的破碎，其特征在于，以較高的頻率將應(yīng)力脈沖施加在所述巖石上，并且基于所述應(yīng)力波的長度(tp)和頻率(f)的值計算得到的載荷比例(α)為至少0.075。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述載荷比例(α)至少為0.1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，所述應(yīng)力波的頻率至少為250Hz，優(yōu)選地至少為350Hz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3的方法，其特征在于，所述應(yīng)力波的振幅較低，至多為150MPa。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，所述應(yīng)力波的所述振幅較低，但至少為25MPa，優(yōu)選地為40MPa。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，所述應(yīng)力波是通過以下方法產(chǎn)生的通過使例如鉆桿的所述工具周期性地經(jīng)受壓縮力，而沒有沖擊活塞的撞擊，從而使得該壓縮力在所述工具中產(chǎn)生應(yīng)力波。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于，所述壓縮力利用加壓流體的壓力而產(chǎn)生。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于，在產(chǎn)生所述應(yīng)力脈沖的時間周期內(nèi)，通過使所述加壓流體的壓力直接或間接地作用于所述工具的端部，以致于由所述壓力產(chǎn)生的作用力擠壓該工具，從而產(chǎn)生所述壓縮力。
9.根據(jù)權(quán)利要求6到8中任一項的方法，其特征在于，通過調(diào)節(jié)所述工具上的所述壓縮力的有效頻率和有效時間，調(diào)節(jié)所述應(yīng)力波的頻率和長度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用來在巖石鉆孔中對被鉆孔巖石進行破碎的方法，在該方法中，通過工具，使被鉆孔的巖石經(jīng)受連續(xù)應(yīng)力脈沖。所述方法包括以較高的頻率把應(yīng)力脈沖施加在巖石上，以及基于應(yīng)力波的長度(tp)和頻率的值計算得到的載荷比例為至少0.075。
文檔編號E21B1/00GK101027165SQ200580032406
公開日2007年8月29日 申請日期2005年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月24日
發(fā)明者馬爾庫·凱斯基尼瓦, 約爾瑪·梅基, 埃爾基·阿霍拉, 毛里·埃斯科, 艾莫·海林 申請人:山特維克礦山工程機械有限公司