[發明專利]一種飛秒激光刀與金剛石刀復合的采礦鉆頭及其采礦方法

有效

• 申請號: 202010095910.8
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111219189B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 李漢明;曹強
• 申請（專利權）人: 北京明睿光譜科技有限公司
• 主分類號: E21C41/16
• 分類號: E21C41/16;E21C27/20;E21B7/14;E21B21/14
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

1.一種飛秒激光刀與金剛石刀復合的采礦鉆頭，其特征在于，所述飛秒激光刀與金剛石刀復合的采礦鉆頭包括：鉆桿、鉆頭、鉆井液通道、飛秒激光通道、高壓氣流通道、飛秒激光輸出孔、控制電纜、防震層、飛秒激光器、傳輸光纜、激光探頭、電動調節架、通光窗口、防護快門以及地面控制主機；其中，所述鉆桿底端設置連接為一整體的鉆頭；在一體的鉆桿和鉆頭內開設有鉆井液通道，打通鉆桿的頂面和鉆頭的底面，鉆井液通道平行于中心軸；在一體的鉆桿和鉆頭內開設有多條關于中心軸呈中心對稱的飛秒激光通道，與每一條飛秒激光通道相對應，在每一條飛秒激光通道的內側即靠近中心軸側開設有一條高壓氣流通道，每一條飛秒激光通道和高壓氣流通道均打通鉆桿的頂面但不打通鉆頭的底面；在每一條飛秒激光通道的底部朝向相應的高壓氣流通道處設置有通光窗口；從每一個通光窗口經相應的高壓氣流通道的底部至鉆頭的底面靠近中心軸處開設有連通的飛秒激光輸出孔；在每一個飛秒激光輸出孔的輸出端設置有防護快門；在每一條飛秒激光通道的內壁覆蓋防震層，在每一條飛秒激光通道的防震層內的頂部設置飛秒激光器；在每一條飛秒激光通道的防震層內的底部設置電動調節架，激光探頭安裝在電動調節架上，激光探頭朝向通光窗口且方向與飛秒激光輸出孔一致；飛秒激光器通過傳輸光纜連接至激光探頭；所述飛秒激光器、傳輸光纜、激光探頭和電動調節架構成飛秒激光系統，每一條飛秒激光通道內設置一套飛秒激光系統，從而形成多套關于中心軸呈中心對稱的飛秒激光系統，飛秒激光系統的數量大于等于三路；所述飛秒激光器、電動調節架和防護快門通過控制電纜連接至地面控制主機；地面控制主機同步控制多個飛秒激光器同時產生飛秒激光，同時打開防護快門；多束飛秒激光分別通過各自的傳輸光纜傳輸至激光探頭，地面控制主機通過控制電動調節架控制激光探頭的位置，從而控制飛秒激光的聚焦焦距；飛秒激光通過通光窗口，經飛秒激光輸出孔，由防護快門出射，聚焦至鉆頭下的位置，焦點位于中心軸的延長線上，多束飛秒激光共軸共聚焦至鉆頭前的同一個位置；高能量密度且低熱效應的飛秒激光作用于巖石表面，巖石局部迅速受熱膨脹，導致局部熱應力升高，當熱應力高于巖石極限強度時，巖石就會發生熱破碎，對巖石的解離面進行先期的破壞，鉆頭在已經破壞了解離面的巖石上進行破巖，實現激光輔助破巖作業，從而降低鉆頭的損耗并提升采礦效率；在飛秒激光器運行的同時，高壓氣流經高壓氣流通道內部輸出，通過高壓氣流清潔飛秒激光輸出孔外部附近的采礦作業時所產生的碎屑，并防止其進入輸出孔內部堵塞孔道，確保飛秒激光能充分聚焦作用于所需位置；同時根據需要，由鉆井液通道向井道內注入鉆井液，攜帶巖屑、冷卻潤滑并平衡壓力。

2.如權利要求1所述的飛秒激光刀與金剛石刀復合的采礦鉆頭，其特征在于，所述防震層的材料采用橡膠。

3.如權利要求1所述的飛秒激光刀與金剛石刀復合的采礦鉆頭，其特征在于，所述通光窗口包括透光通孔和透光材料，在透光通孔上密封設置透光材料。

4.如權利要求3所述的飛秒激光刀與金剛石刀復合的采礦鉆頭，其特征在于，所述透光材料采用鍍膜處理鋼化玻璃。

5.如權利要求1所述的飛秒激光刀與金剛石刀復合的采礦鉆頭，其特征在于，所述飛秒激光的聚焦的焦點與鉆頭的底面之間的距離為10～100nm。

6.如權利要求1所述的飛秒激光刀與金剛石刀復合的采礦鉆頭，其特征在于，所述飛秒激光器的功率為100w～1000w。

7.如權利要求1所述的飛秒激光刀與金剛石刀復合的采礦鉆頭，其特征在于，所述鉆井液通道的內徑為10～20cm；飛秒激光通道的內徑10～20cm直徑；高壓氣流通道的內徑5～10cm直徑。

8.如權利要求1所述的飛秒激光刀與金剛石刀復合的采礦鉆頭，其特征在于，所述飛秒激光輸出孔的直徑為10mm～50mm，傾斜角度θ為0＜θ≤5°。