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专利号: 2020100959108
申请人: 北京明睿光谱科技有限公司
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-15
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头,其特征在于,所述飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头包括:钻杆、钻头、钻井液通道、飞秒激光通道、高压气流通道、飞秒激光输出孔、控制电缆、防震层、飞秒激光器、传输光缆、激光探头、电动调节架、通光窗口、防护快门以及地面控制主机;其中,所述钻杆底端设置连接为一整体的钻头;在一体的钻杆和钻头内开设有钻井液通道,打通钻杆的顶面和钻头的底面,钻井液通道平行于中心轴;在一体的钻杆和钻头内开设有多条关于中心轴呈中心对称的飞秒激光通道,与每一条飞秒激光通道相对应,在每一条飞秒激光通道的内侧即靠近中心轴侧开设有一条高压气流通道,每一条飞秒激光通道和高压气流通道均打通钻杆的顶面但不打通钻头的底面;在每一条飞秒激光通道的底部朝向相应的高压气流通道处设置有通光窗口;从每一个通光窗口经相应的高压气流通道的底部至钻头的底面靠近中心轴处开设有连通的飞秒激光输出孔;在每一个飞秒激光输出孔的输出端设置有防护快门;在每一条飞秒激光通道的内壁覆盖防震层,在每一条飞秒激光通道的防震层内的顶部设置飞秒激光器;在每一条飞秒激光通道的防震层内的底部设置电动调节架,激光探头安装在电动调节架上,激光探头朝向通光窗口且方向与飞秒激光输出孔一致;飞秒激光器通过传输光缆连接至激光探头;所述飞秒激光器、传输光缆、激光探头和电动调节架构成飞秒激光系统,每一条飞秒激光通道内设置一套飞秒激光系统,从而形成多套关于中心轴呈中心对称的飞秒激光系统,飞秒激光系统的数量大于等于三路;所述飞秒激光器、电动调节架和防护快门通过控制电缆连接至地面控制主机;地面控制主机同步控制多个飞秒激光器同时产生飞秒激光,同时打开防护快门;多束飞秒激光分别通过各自的传输光缆传输至激光探头,地面控制主机通过控制电动调节架控制激光探头的位置,从而控制飞秒激光的聚焦焦距;飞秒激光通过通光窗口,经飞秒激光输出孔,由防护快门出射,聚焦至钻头下的位置,焦点位于中心轴的延长线上,多束飞秒激光共轴共聚焦至钻头前的同一个位置;高能量密度且低热效应的飞秒激光作用于岩石表面,岩石局部迅速受热膨胀,导致局部热应力升高,当热应力高于岩石极限强度时,岩石就会发生热破碎,对岩石的解离面进行先期的破坏,钻头在已经破坏了解离面的岩石上进行破岩,实现激光辅助破岩作业,从而降低钻头的损耗并提升采矿效率;在飞秒激光器运行的同时,高压气流经高压气流通道内部输出,通过高压气流清洁飞秒激光输出孔外部附近的采矿作业时所产生的碎屑,并防止其进入输出孔内部堵塞孔道,确保飞秒激光能充分聚焦作用于所需位置;同时根据需要,由钻井液通道向井道内注入钻井液,携带岩屑、冷却润滑并平衡压力。

2.如权利要求1所述的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头,其特征在于,所述防震层的材料采用橡胶。

3.如权利要求1所述的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头,其特征在于,所述通光窗口包括透光通孔和透光材料,在透光通孔上密封设置透光材料。

4.如权利要求3所述的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头,其特征在于,所述透光材料采用镀膜处理钢化玻璃。

5.如权利要求1所述的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头,其特征在于,所述飞秒激光的聚焦的焦点与钻头的底面之间的距离为10~100nm。

6.如权利要求1所述的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头,其特征在于,所述飞秒激光器的功率为100w~1000w。

7.如权利要求1所述的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头,其特征在于,所述钻井液通道的内径为10~20cm;飞秒激光通道的内径10~20cm直径;高压气流通道的内径5~

10cm直径。

8.如权利要求1所述的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头,其特征在于,所述飞秒激光输出孔的直径为10mm~50mm,倾斜角度θ为0<θ≤5°。

9.一种如权利要求1所述的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头的采矿方法,其特征在于,所述采矿方法包括以下步骤:

1)地面控制主机同步控制多个飞秒激光器同时产生飞秒激光,同时打开防护快门;

2)多束飞秒激光分别通过传输光缆传输至激光探头,地面控制主机通过控制电动调节架控制激光探头的位置,从而控制飞秒激光的聚焦焦距;飞秒激光通过通光窗口,经飞秒激光输出孔,由防护快门出射,聚焦至钻头下的位置,焦点位于中心轴的延长线上,多束飞秒激光共轴共聚焦至钻头前的同一个位置;

3)高能量密度且低热效应的飞秒激光作用于岩石表面,岩石局部迅速受热膨胀,导致局部热应力升高,当热应力高于岩石极限强度时,岩石就会发生热破碎,对岩石的解离面进行先期的破坏,钻头在已经破坏了解离面的岩石上进行破岩,实现激光辅助破岩作业,从而降低钻头的损耗并提升采矿效率;

4)在飞秒激光器运行的同时,高压气流经高压气流通道内部输出,通过高压气流清洁飞秒激光输出孔外部附近的采矿作业时所产生的碎屑,并防止其进入输出孔内部堵塞孔道,确保飞秒激光能充分聚焦作用于所需位置;

5)同时根据需要,由钻井液通道向井道内注入钻井液,携带岩屑、冷却润滑并平衡压力。

10.如权利要求9所述的采矿方法,其特征在于,在步骤2)中,飞秒激光的聚焦的焦点与钻头的底面之间的距离为10~100nm。