用于钻探系统的竖井扩大布置

摘要

本发明提供了一种用于钻探系统的竖井扩大布置，所述竖井扩大布置包含：空心柱体，其接近所述钻探系统的下端；第一切割头，其可旋转地装配到所述空心柱体，并且设置第一驱动构件来使所述第一切割头相对于所述空心柱体旋转，以便向下钻出孔，所述孔的直径基本上对应于所述第一切割头的直径；以及钻探头布置，其装配到所述柱体的可操作下端，所述钻探头布置终止于第二切割头中，以在所述钻探系统进行向下钻探时钻出引导孔。在一个实施方案中，所述第一切割头包含带有翼状布置的支撑主体，所述支撑主体可旋转地装配到所述柱体，所述翼状布置包含从所述支撑主体延伸的多个翼部，各翼部配备或包含多个第一切割元件。

说明书

发明领域

本发明涉及钻探系统(或钻机，或机器)，特别地，在一个版本中，涉及盲井钻探系统。笼统地说，钻探系统包含地上支撑钻机布置、中间工作平台布置以及最底下的竖井扩大与钻探布置。钻探系统可用于通过在地面开始岩石钻探和垂直地向下钻探预定距离而钻出基本上垂直孔或竖井。特别地，本发明可使用反井钻探或盲孔技术实施。

发明背景

传统的反井钻探从垂直向下钻进导向孔(通常使用定向钻井系统)开始。导向孔是使用钻井单元在地面钻进，包含装配在一起的多个钻杆的孔隙钻柱从所述地面向下延伸。利用具有用于高力矩应用的标准螺纹的管，将用于钻进导向孔的牙轮钻头装配到钻柱的最底下钻杆。在导向孔已突破较低位面之后，移除牙轮钻头并换上包含多个铣刀(cutter)的铰刀头。铰刀头进行旋转并朝着表面安装式钻井单元撤回，以便在泥土和岩石中切出较大孔或升道。钻屑由于重力而不受控制地落到孔底部的腔室中，使用装载机将钻屑从腔室移除。

另一方，盲孔钻探包含钻进超大导向孔。超大导向孔可在单个步骤中钻进，或更一般地，通过首先钻进(例如)最初400mm导向孔、接着随后将其扩大以界定3m超大导向孔而钻进。这个过程是本领域中熟知的。切割头(cutting head)接着被安装在钻出的超大导向孔上方，以使得钻进可向下进行。接着将钻屑从超大导向孔冲出。这一特定技术并不经常使用，这是因为堵塞导向孔并在孔底部产生泥涌的风险相对较高。

没有已知的钻探系统能够钻探相对较大的孔(优选地，具有8米与15米之间的直径，但有可能更大)，并且不必使用(例如)反循环将钻屑冲掉，钻屑可从钻探系统上移除。

存在许多相关现有技术文件，所述文件包含公布的PCT专利申请no.WO9320325，其公开了下绞孔设备，所述下绞孔设备具有在钻出孔中支撑下绞孔设备的上部稳定器，和为下绞孔设备提供额外支撑的下部稳定器。

美国专利no.3,965,995公开了用于钻探大直径盲孔的机器，所述机器包含安装于机器的下端、关于水平管转支撑件旋转的切割轮。定位于切割机轮上方的抓持器组合件将机器紧靠隧道壁紧固。美国专利no.4,646,853公开了基本上类似的机器。

上文所列出和描述的现有技术文件仅选择了不同程度地公开下绞孔的宽泛概念的已知文件。然而，所述现有技术文件全部易于遭受以下缺点：

1.所述文件均未公开用于从绞孔设备上方移出绞孔钻屑的易于实施的布置，即，使得钻屑退出钻出孔的顶部。

2.所述文件均未公开使得能够安全、高效且经济地钻出相对较大的孔(具有8米和15米之间的直径)的抓持布置。

3.所述文件均未公开可缩放设备，其能够修改单个绞孔或钻探设备，从而钻探具有变化直径的竖井。

4.所述文件均未公开钻透硬质岩石的能力，从而带来特定困难。目前，硬质岩石钻探涉及使用爆炸推进顺序，这是本发明要特别避免的。

本发明的目标是提供钻探系统或钻机以解决现有钻探布置中普遍存在的以上缺点。在一个实施方案中，目标是提供可实现极准确的定向钻井的盲井钻探系统和避免必须钻出初始导向孔，如传统上所进行的。

发明概述

根据本发明，提供一种用于钻探系统的竖井扩大布置，所述竖井扩大布置包含：

空心柱体，其接近所述钻探系统的下端；

第一切割头，其可旋转地装配到所述空心柱体，并且设置第一驱动构件来使所述第一切割头相对于所述空心柱体旋转，以便向下钻出孔，所述孔的直径基本上对应于所述第一切割头的直径；以及

钻探头布置，其装配到所述柱体的可操作下端，所述钻探头布置终止于第二切割头中，以在所述钻探系统进行向下钻探时钻出引导孔。

在一个实施方案中，所述第一切割头包含带有翼状布置的支撑主体，所述支撑主体可旋转地装配到所述柱体，所述翼状布置包含从所述支撑主体延伸的多个翼部，各翼部配备或包含多个第一切割元件。

在一个实施方案中，齿轮壳体安装在所述第一切割头上方，其中在所述齿轮壳体顶上装配第一驱动构件并将所述第一驱动构件布置成驱动所述齿轮壳体内的齿轮布置，所述齿轮布置又布置成使所述支撑主体和所述第一切割头围绕所述柱体旋转。通常，所述第一驱动构件包含围绕所述齿轮壳体的周边布置的多个电动机。

通常，各翼部成向上角度并远离所述支撑主体，以便界定基本上V形的切割轮廓。

在一个实施方案中，各翼部包含基翼部分和相对于所述基翼部分可移动的可移动端翼部分，其中第一致动器可操作以使所述端翼部分相对于所述基翼部分移动。在一个实施方案中，所述端翼部分可在所述端翼部分基本上与所述基翼部分成直线延伸的展开位置和所述端翼部分相对于所述基翼部分向上移动的收回位置之间移动，从而最终有助于所述竖井扩大布置从所述钻出孔移去。

在一个实施方案中，额外的翼部分可装配在所述基翼部分与所述端翼部分之间，以使所述翼部的长度能够有所变化，从而允许通过增大所述翼状布置的总直径而钻出相对较大的孔。

在一个实施方案中，下部收集贮仓被设置在所述第一切割头下方，由于所述旋转着的第一切割头产生的钻屑(和以对开挖面施加静水压力废渣)可收集到所述下部收集贮仓中。所述下部收集贮仓包含贮仓主体，所述贮仓主体界定：入口溜槽开口，用于接收所述钻屑；以及与界定在所述柱体中的相应孔口成直线的排口溜槽出口，所述钻屑可通过所述排口溜槽出口退出所述贮仓而进入所述柱体中，以便随后由在所述柱体中上下行进的内部吊桶进行收集。

通常，所述竖井扩大布置包含一对在直径上对置的下部收集贮仓，其中所述翼状布置的最底下部分包含刮刀，所述刮刀在所述第一切割头相对于所述柱体旋转时将所述钻屑刮削到所述收集贮仓中。

在一个实施方案中，所述竖井扩大布置包含装配到所述空心柱体的抓持器布置(并且布置在所述柱体周围，以使得基本上封闭所述柱体)，所述抓持器布置在使用时定位成低于所述下部收集贮仓且高于所述钻探头布置，所述抓持器布置被布置成紧固地抓持住由所述第二切割头钻出的所述引导孔，以便将所述钻探系统紧固在所述钻出孔内的适当位置。

在一个实施方案中，所述抓持器布置包含从旁侧远离所述空心柱体延伸的一对在直径上对置的夹具，所述夹具可在收回脱啮位置和在所述夹具夹住由所述第二切割头界定的所述引导孔时的展开啮合位置之间移动，以有助于和/或控制所述第一切割头的旋转。

在一个实施方案中，所述抓持器布置装配到紧固到所述柱体的第三致动器布置，所述第三致动器布置可操作以使所述抓持器布置沿着所述柱体的长度轴向移动。

在一个实施方案中，设置了稳定化布置，以通过首先使所述竖井扩大布置居中来辅助所述抓持器布置，所述稳定化布置包含处于所述抓持器布置上方的多个径向隔开的上部稳定化挡板和处于所述抓持器布置下方的一对径向隔开的下部稳定化挡板。

在一个实施方案中，保护性挡板布置从所述第一切割头下方，邻近于所述下部收集贮仓，延伸到所述钻探头布置的末端，所述保护性挡板布置界定用来容纳所述抓持器布置的所述夹具和所述稳定化布置的所述上部及下部稳定化挡板(且因此允许前述各物的操作)的窗口或孔口。

在一个实施方案中，所述钻探头布置装配到紧固到所述柱体的所述可操作下端的法兰，其中钻探头是用第六致动器布置装配到所述法兰，所述第六致动器布置可操作以使所述钻探头相对于所述法兰展开和收回，从而有助于在所述钻探系统进行向下钻探时的所述引导孔的所述钻出。

在一个版本中，为了钻透硬质岩石，所述钻探头包含终止于可操作平坦面中以界定泥浆挡板的泥浆钻探头，所述平坦面配备第二切割头以在所述钻探系统向下前进时钻出所述引导孔。

在一个实施方案中，所述泥浆钻探头充满了水泥浆，以对开挖面施加静水压力，并且设置了泵来将所得废渣泵送到分离装置中。

在一个版本中，为了钻透相对软的泥土，所述钻探头包含具有切割头的地球压力平衡(Earth Pressure Balance，EPB)头部。

在一个实施方案中，所述第二切割头配备或包含多个第二切割元件，并且在所述钻探头顶上装配第二驱动构件以驱动所述钻探头的所述第二切割元件。通常，所述驱动构件包含延伸到钻探头布置与法兰之间的间隙中的多个电动机。

在一个实施方案中，所述钻探系统包含竖井内衬架台，所述竖井内衬架台包含具有宽松地容纳所述柱体的内套环的圆形竖井内衬平台，并且多个圆柱体在所述平台的下部面与所述齿轮壳体之间延伸，以调节和控制所述平台与所述齿轮壳体之间的相对距离。

在一个实施方案中，所述竖井内衬架台包含竖井内衬系统，所述竖井内衬系统用于在所述钻探系统向下前进时将预制混凝土内衬区段安装到所述钻出孔的内侧壁，所述竖井内衬系统包含：

内衬区段运载装置，用于将内衬区段下降到所述钻出孔中；以及区段装配臂，用于从所述内衬区段运载装置取回所述内衬区段并且抵靠所述孔的侧壁来放置所述内衬区段。

在一个实施方案中，所述内衬区段运载装置是外部吊桶的一部分，以便当所述外部吊桶下降到所述竖井中时，内衬区段同时下降到所述竖井中。在一个实施方案中，所述外部吊桶通过界定于上覆圆形平台中的孔口，并且所述竖井内衬架台的所述竖井内衬平台还界定孔口以允许所述外部吊桶朝着所述第一切割头向下进一步前进。在一个实施方案中，各圆形平台界定一对在直径上对置的孔口。在一个实施方案中，所述竖井内衬架台的所述圆形竖井内衬平台具有大于所述上覆平台的直径，并且直径上的差异足够适应装配到所述钻出孔的所述内侧壁的所述混凝土内衬区段的厚度。

在一个实施方案中，所述竖井内衬架台的所述竖井内衬平台由挡板包围，所述挡板横向于所述竖井内衬平台而延伸，以便邻接所述钻出孔的所述内侧壁，所述挡板通过紧固布置可释放地紧固到所述竖井内衬平台。

在一个实施方案中，所述紧固布置包含界定于所述竖井内衬平台中的多个径向延伸的通道，各通道包含可移动臂，所述可移动臂可在当所述挡板与所述竖井内衬平台脱啮时的收回脱啮位置和当所述臂从所述通道突出而啮合界定于所述挡板中的紧固孔口以便相对于所述竖井内衬平台暂时紧固所述挡板时的展开啮合位置之间移动。

在一个实施方案中，多个可伸缩致动圆柱体邻近于所述挡板设置在所述平台周围，以在所述内衬区段抵靠所述竖井的所述侧壁放置时支撑所述内衬区段，使得所述挡板暂时定位于所述区段与所述侧壁之间。

在一个实施方案中，所述挡板具备钢刷，其在砂浆被泵送到所述内衬区段与所述侧壁之间的间隙中时捕捉砂浆，由此减少砂浆的浪费。另外，所述挡板包含多个挡板区段，所述多个挡板区段在所述内衬区段在安装期间压在所述挡板区段的上部部分上时可径向地展现，以使得所述挡板区段能够恰好压在所述壁上。在一个实施方案中，邻近的挡板区段的垂直边缘彼此重叠，并具有阶梯式布置，从而也防止砂浆透过所述挡板渗出。

在一个实施方案中，所述区段装配臂从安装在所述竖井内衬平台上或附近的液压圆柱体延伸，并布置成在各个收回位置和展开位置之间移动，以从所述内衬区段运载装置取回所述内衬区段并且抵靠所述竖井的所述侧壁紧固所述内衬区段。所述区段装配臂还能够上下移动和旋转，以有助于对所述内衬区段的抓持、操纵以及放置。

在一个实施方案中，所述内衬区段包含多个弯曲的主要内衬区段、一对末端内衬区段以及用于插入在所述末端内衬区段对之间的锁定内衬区段，以界定内衬区段的环状物。

在一个实施方案中，所述主要内衬区段弯曲，从而最终界定内衬区段的环状物，以内衬或覆盖圆形竖井。所述主要内衬区段包含基本上矩形的主体，所述主体具有弯曲内面和布置成邻接所述竖井的所述侧壁的相应弯曲外面。

在一个实施方案中，各末端内衬区段具有邻接相应主要内衬区段的直线边缘的直线边缘，和对置的有角度或楔形边缘。所述末端内衬区段因此界定具有楔形边缘的梯形空间，并且所述锁定内衬区段具有相应的楔形边缘，使得在插入所述对的末端内衬区段之间之后，所述锁定内衬区段界定将内衬区段的环状物锁定在一起的钥匙(key)。

在一个实施方案中，十二个主要内衬区段、两个末端内衬区段以及锁定内衬区段可用于对竖井的圆周环整体加内衬。

在一个实施方案中，上部收集平台设置在所述竖井内衬架台上方，在所述上部收集平台上方设置有上部收集贮仓，钻屑由所述内部吊桶从所述下部收集贮仓提升到所述上部收集贮仓中，所述吊桶在沿所述柱体上移后可转移，以便于随后由所述外部吊桶进行收集，所述外部吊桶接着可随后吊运穿过界定于所述上覆平台中的所述孔口，直到地面。所述上部收集贮仓包含贮仓主体，所述贮仓主体界定：入口溜槽开口，从所述内部吊桶接收所述钻屑；以及在所述柱体外的排口溜槽出口，所述排口溜槽出口与在所述上部收集平台上的外部吊桶成直线，以便于后续收集。

通常，设置一对在直径上对置的上部收集贮仓，以使所述钻屑沉淀到一对在直径上对置的外部吊桶中。

在一个实施方案中，所述钻探系统包含：地上支撑钻机布置，包含主要高架起重机组合件、地面钻机以及工作台；至少一个吊桶提升机，用于使所述外部吊桶在所述竖井中上下移动；以及至少一个架台提升机，用于使服务驾驭平台在所述柱体的上部部分中上下移动。

还设置了与所述主要高架起重机组合件分开的次要高架起重机组合件，以帮助将场地准备好以及使设备的不同部分在地面上移动。

在一个实施方案中，设置了第二倾卸布置，以在所述外部吊桶已经提升到高于所述地面钻机、进入到邻近溜槽中之后，将所述外部吊桶倾卸，所述溜槽将所述吊桶的内含物引导到在所述支撑钻机布置的任一侧上的收集隔间中，以便随后用合适机械移除。

在一个实施方案中，所述高架起重机中的每一个、所述地面钻机以及所述工作台被布置成在装配于地面上的轨道上行进，以有助于所述钻探系统的当场建立。

图式简述

本发明的这些和其它特征在依据以下说明和图式考虑时将变得显而易见，在所述图式中：

图1示出了根据本发明的盲井钻探系统的透视图；

图2示出了图1所示的钻探系统的侧视图；

图3示出了图1和2所示的钻探系统的地上支撑钻机布置的第一俯视透视图；

图4示出了图3所示的地上支撑钻机布置的侧视图；

图5示出了图3所示的地上支撑钻机布置的端视图；

图6示出了图3所示的地上支撑钻机布置的仰视透视图(但为了清晰起见，省略了高架起重机组合件和相关轨道)；

图7示出了图6所示的地上支撑钻机布置的俯视透视图；

图8示出了竖井内衬架台、上部收集贮仓以及多个工作平台(全部围绕且至下绞孔钻探系统的柱体而装配)的透视图；

图9示出了图8所示的钻探系统的部分的截面图；

图10示出了第一切割头、下部收集贮仓以及抓持器布置(全部用于图1和2所示的钻探系统中)的透视图；

图11示出了在使用中的竖井内衬架台的透视图，如图1、2和8所示；

图12示出了在使用中的竖井内衬架台以及上覆工作平台和包含翼状布置的第一切割头的透视图，翼状布置包含多个翼部，各翼部包含基翼部分和相对于基翼部分可移动的可移动端翼部分，其中此图中的端翼部分展示为处于收回位置(与图10和11所示的展开位置相反)中；

图13示出了使用中的第一切割头和竖井内衬架台的下部透视图(只是竖井内衬架台周围的封闭挡板已被移除)；

图14示出了可装配搭配钻出孔的内侧壁的预制混凝土内衬区段的所得环状物的透视图；

图15示出了竖井内衬架台、上部收集贮仓以及多个工作平台的透视图，特别地，从单个环界定柱体到在最上部工作平台上方的第一钻杆的过渡，钻杆包含单独但结合的管道和管的单一主体；

图16示出了第一切割头、下部收集贮仓、抓持器布置以及钻探头布置(全部用于图1和2所示的钻探系统中)的透视图；

图17示出了图16所示的钻探系统的部分的第一侧视图，和沿着线B-B截取的相应截面端视图；

图18示出了图16所示的钻探系统的部分的第二侧视图，和沿着线D-D截取的相应截面端视图；

图19示出了图1和2所示的钻探系统的示意性侧视图，说明了内部吊桶将岩石钻屑沿中心柱体吊运到上部收集贮仓和外部吊桶通过上部收集贮仓接收岩石钻屑的移动，外部吊桶接着被向上吊运到地面，从而允许收集和抛弃岩石钻屑；

图20示出了图1和2所示的钻探系统的示意性侧视图，说明了钻探系统中所使用的通风系统；

图21示出了图1和2所示的钻探系统的示意性侧视图，说明了水在钻探系统中的流动；

图22示出了可使用图1和2所示的钻探系统的典型现场布局；

图23到25示出了图1和2所示的钻探系统的组装步骤的进展；

图26示出了在操作中的钻探系统的部分截面透视图，特别示出了第一开挖；

图27示出了在操作中的钻探系统的部分截面透视图，示出了第二开挖；以及；

图28示出了完全钻出(且线状)孔的部分截面透视图。

图式详述

参看图式，特别参看图1、2、16、17以及18，根据本发明，提供了用于盲井钻探系统12的竖井扩大布置10。最初关注图16、17以及图18，笼统地说，竖井扩大布置10包含接近钻探系统12的下端的空心柱体14。系统10还包含可旋转地装配到空心柱体14的第一切割头16，并且设置了第一驱动构件18来使第一切割头16相对于空心柱体14旋转以便向下钻出孔20(在图19、20、21、26、27和28中最佳展示)，所述孔的直径基本上对应于第一切割头16的直径。系统10还包含装配到柱体14的可操作下端的钻探头布置22，钻探头布置22终止于第二切割头24，以在钻探系统12进行向下钻探时钻出引导孔26(即，导向孔)。

现在转到图10、11、12、13、16、17以及18，第一切割头16包含带有翼状布置30的支撑主体28，支撑主体28可旋转地装配到空心柱体14外，以使得支撑主体28和翼状布置30可相对于柱体14旋转。翼状布置30包含从支撑主体28延伸的多个翼部32，各翼部32配备或包含多个第一切割元件(未明确示出，但是这些元件可装配到各翼部32的底部面)。

在一个实施方案中，齿轮壳体34安装在第一切割头16上方，其中第一驱动构件18装配在齿轮壳体34顶上并布置成驱动齿轮壳体34内的齿轮布置，所述齿轮布置又布置成使支撑主体28和第一切割头16围绕柱体14旋转。通常，第一驱动构件18包含围绕齿轮壳体34的周边布置的多个电动机38。

通常，各翼部32成向上角度并远离所述支撑主体，以便界定基本上V形的切割轮廓，如图17、18、19、20和21所最佳展示。有利地，第一切割头16的V形状允许通过简单地调整第一切割元件在第一切割头16上的角度进行下部切割。

特别返回参看图10，各翼部32包含基翼部分32.1和相对于基翼部分32.1可移动的可移动端翼部分32.2，其中第一致动器40可操作以使端翼部分32.2相对于基翼部分32.1移动。在一个实施方案中，端翼部分32.2可在所述端翼部分基本上与所述基翼部分成直线延伸的展开位置(如图10、11以及13所示)和端翼部分32.2相对于基翼部分32.1向上移动的收回位置(如图12所示)之间移动，从而最终有助于竖井扩大布置10从钻出孔20移去。

在一个实施方案中，额外的翼部分可装配在基翼部分32.1与端翼部分32.2之间，以使所述翼部32的长度能够有所变化，从而允许通过增大翼状布置30的总直径而钻出相对较大的孔20。翼状布置30的直径决定了待钻探的孔20的直径。因此，如果要改变所要孔直径，那么仅需要改变翼状布置30(和竖井内衬挡板42，在下文对其进行更详细地描述)，而不必改变钻探系统12的剩余组件，因为剩余组件可适应预期孔20/翼状布置30的直径的全范围。

仍特别参看图10，下部收集贮仓44被设置在第一切割头16下方，由旋转着的第一切割头16产生的钻屑(和干废渣)可收集到所述下部收集贮仓中。下部收集贮仓44包含贮仓主体46，所述贮仓主体界定：入口溜槽开口48，用于接收钻屑；以及排口溜槽出口50(如图18所最佳展示)，其与界定于柱体14中的相应孔口成直线。钻屑因此可退出贮仓44而进入柱体14中，以便于随后由在柱体14中上下行进的内部吊桶52进行收集。通常，竖井扩大布置10包含一对在直径上对置的下部收集贮仓44，其中翼状布置30的最底下部分包含刮刀，所述刮刀在第一切割头16相对于柱体14旋转时将钻屑刮削到收集贮仓44中。

如图10、16、17以及18所最佳展示，竖井扩大布置10包含装配到空心柱体14的抓持器布置60，抓持器布置60布置在柱体14周围，以便基本上封闭柱体14。抓持器布置60在使用时定位成处于下部收集贮仓44下方且处于钻探头布置22上方，抓持器布置60被布置成紧固地抓持住由第二切割头24钻出的引导孔26，以便将钻探系统12紧固在钻出孔20内的适当位置。

在一个实施方案中，抓持器布置60包含从旁侧远离空心柱体14延伸的一对在直径上对置的弯曲夹具62(也称作抓持器靴)，夹具62可在收回脱啮位置和在夹具62夹住由第二切割头24界定的引导孔26时的展开啮合位置之间移动，以有助于和/或控制第一切割头16的旋转。

通常，第二致动器布置f用于使夹具62在收回脱啮位置与展开啮合位置之间移动。在一个实施方案中，各夹具62包含多个夹具区段，其中在柱体14的任一侧上，第二致动器布置64包含在对置的夹具区段的末端之间延伸的多个液压致动器66，以使得致动器66的操作确保在直径上对置的夹具62统一地操作。

如图17所最佳展示，抓持器布置60装配到包含推力圆柱体的第三致动器布置68，其紧固到柱体14(特别地，紧固到围绕柱体14延伸的法兰70。第三致动器布置68可操作以使抓持器布置60沿着柱体14的长度轴向移动，从而帮助竖井扩大布置10的总体向下移动。在使用时，在钻探循环开始时，在推力圆柱体68处于收回位置中时，抓持器致动器64受到压力，从而将抓持器挡板夹具62牢固地压在引导孔/导向竖井20的壁上。因此产生摩擦，从而提供锚定力以适应所需的钻探推力。

在一个实施方案中，设置了稳定化布置72，以通过首先使竖井扩大布置10居中来辅助抓持器布置60。稳定化布置72包含处于抓持器布置60上方的多个径向隔开的上部稳定化挡板74，上部稳定化挡板74定位成接近直径上对置的下部收集贮仓44对，通常在其间。稳定化布置72还包含处于抓持器布置70下方的一对径向隔开的下部稳定化挡板76，下部稳定化挡板76定位成接近钻探头布置22，通常在其上方。

在启动抓持器布置60之前，稳定化布置72用于正确地定位竖井扩大布置10。上部稳定化挡板74和下部稳定化挡板76分别由第四致动器78和第五致动器80液压地操作，所述致动器被布置成使上部挡板74和下部挡板76在收回脱啮位置与在挡板74、76夹住由第二切割头24界定的引导孔26时的展开啮合位置之间移动。

在一个实施方案中，如图19和20所示，保护性管状挡板支撑布置83从第一切割头16下方，邻近于下部收集贮仓44，延伸到钻探头布置22的末端。所述保护性挡板布置界定用来容纳抓持器布置60的夹具62和稳定化布置72的上部稳定化挡板74及下部稳定化挡板76(且因此允许操作)的窗口或孔口。所述挡板支撑布置通常是分段的，以确保其保持与周围岩石接触，以便支撑引导孔/导向孔的壁。所述挡板支撑布置具有分段且可扩展的设计。为了确保对引导孔/导向孔20的支撑，所述挡板支撑布置的区段的外径皮肤通过错开的钢条来扩展，所述钢条被引导到岩石上，但在泥浆钻探头单元的前进行程期间可被自由地拉动。这样确保岩石表面的开口区域在钻探系统12前进时保持受支撑。挡板区段被夹到钻探头布置22的驱动模块壳体79(如图17和18所最佳展示)，此允许在泥浆头单元的钻探行程和转向期间，挡板区段径向膨胀以及挡板结构浮起。借助于水平布置的液压圆柱体，挡板区段始终保持与导向孔20的壁压力接触；从而即使在不利泥土状况下也提供有效的壁支撑。

如图16、17以及18所最佳展示，钻探头布置22可装配到紧固到柱体14的可操作下端的法兰81，其中钻探头82是用第六致动器布置84间隔分开地装配到法兰81，所述第六致动器布置包含多个推力圆柱体。第六致动器布置84可操作以使钻探头82相对于法兰81展开和收回，从而有助于在钻探系统12进行向下钻探时的引导孔26的钻出。

除了钻探引导/导向孔20之外，钻探头82还可用于进行勘探，以使得当钻探系统12继续向下钻探时，关于正在钻探/钻穿的泥土的信息正联系地被提取。如此勘探使操作者能够决定(例如)如何最佳地稳定钻出的竖井。

第六致动器布置84的圆柱体提供推力和转向功能，并且通常包含5对水推力圆柱体，所述圆柱体通过法兰81将驱动模块壳体79与抓持器布置60互连。每一对中的两个圆柱体成V形布置。液压圆柱体的行程由油压力或油体积各自地控制，从而在钻探头82的钻探行程期间实现定向控制。除了产生钻探推力外，多对V形布置的推力圆柱体84还产生旋转力，控制旋转力以抵消第二切割头24的力矩反作用力。在推力圆柱体84已完成整个钻探行程后，钻探头82可被拉回到引导/导向孔20中的泥浆的液位上方。第二切割头24的这个收回位置允许无需将泥浆从引导/导向孔20移出(例如)到上部平台上的存储罐或甚至到地面，可对切割工具进行维护、检查和/或更换切割器。

在一个实施方案中，设置了激光控制系统以控制以下方向控制参数：竖井的理论轴线；钻出的导向竖井相对于理论竖井轴线的实际位置；关于钻探头方向的所需校正的指示/建议；钻探头82相对于第一切割头16的实际滚动位置；以及预测钻探头82的位置。

在一个版本中，并且如图式中所说明，为了钻透硬质岩石，钻探头82包含终止于可操作平坦面86中以界定泥浆挡板的泥浆钻探头82，平坦面86配备第二切割头24以在钻探系统12向下前进时钻出引导孔26。

第二切割头24具有重型焊接钢构造，其适合不利泥土状况下以及在极硬的岩层中的垂直钻探。泥浆钻探头82的整体式钢主体具有空心设计，这一设计对于执行任何所需维护的人员可为安全的。特别地，可安全地检测第二切割头24的切割器并且从切割头24内进行替换。

在一个实施方案中，泥浆钻探头82充满了水泥浆，以对开挖面施加静水压力。设置了泵98来将所得废渣泵送到处于上覆平台中的一个平台上的分离装置90中，以便将废渣分离成颗粒材料和污水。在使用时，且参看图21中所附的水示意图，清水92被向下泵送到钻出孔20中，与热交换器94反应，从而有助于冷却孔20中的设备，并且最终结束于钻出孔20(由泥浆钻探头82钻出)的底部，如箭头线96所指示。

在一个实施方案中，泥浆钻探头82是具有用于向下钻探的特殊旋转第二切割头24的定向控制的单挡板泥浆单元。切下的岩石悬浮在切割头区域中和周围的泥浆中。泥浆钻探头82配备泥浆泵98，其用于将所得废渣(或废渣的至少一部分)向上泵送到分离装置90，如箭头线100所指示。所得污水101(或污水的一部分)接着由水泵102向上泵送到地面以进行清洁，如箭头线104所示。这个循环通过将和泵出的污水差不多相同量的清水泵送回到钻出孔20中，以便替换被移出的污水来继续。

切割头24内的空心区域为足够体积的水/泥浆提供空间，以使得能够借助于浸没式泥浆泵系统将废渣从所述面移出。平坦切割头24前板的形状是“反循环”垂直钻探方法中所使用的典型设计的特征。为了产生所需的泥浆速度以实现废渣从导向竖井面的有效“真空清洁”，从切割头前板到钻探面的距离应减小，且设置径向取向的通道，所述通道将废渣引到切割头24的中心附近的泥浆泵抽吸开口。切割头24通常配备标准的重型17”圆盘切割器。切割器间距将使岩石钻屑的大小可由泥浆泵系统容易地操控，并且甚至可对极硬的岩层进行钻探。

废渣移除系统的心脏是重型叶轮泥浆泵98，其安装于浸没在泥浆液面之下的泥浆钻探头82的中心中。泵98被支撑到驱动模块壳体79的静止内部部件并且由频率受控且水冷式的电动机来驱动，电动机确保用于将具有废渣的泥浆输送到分离装置90的充足流动速度和压力。泵98几何形状允许全部的岩石钻屑通过叶轮；异常大小的岩石块将从泥浆抽吸转移，以便由第二切割头24重新粉碎。

泥浆输送线是钢管或有防护橡胶管；所述管从泵98向上伸展，穿过驱动模块壳体79到达中心柱体14。柱体14是双壁柱体，以便界定包含多个通路的环，所述通路中的一个或多个用于容纳朝着分离装置90向上的泥浆输送线。在泥浆钻探头82和柱体14之间，在导向孔中，安装了输送线的伸缩段，其具有两个线内挠性联轴器，从而允许在泥浆钻探头82或铰刀单元的第一切割头16前进期间的纵向调整和定向控制移动。

分离装置90包含具有不同网眼大小的一系列筛子，从而允许快速废渣分离；仅小尺寸粒子越过所述系统并且在泥浆向下回流到泥浆钻探头82之前随泥浆进入到多隔室罐。

在另一应用中，当钻透相对软的泥土时，钻探头82包含具有切割头的EPB(地球压力平衡)头部。EPB使用挖出材料来平衡隧道面处的压力。切割头的压力是通过控制剥离物穿过阿基米德螺旋的抽取速率和前进速率来维持。例如膨润土、聚合物以及泡沫的添加剂可在隧道面之前注射，以便增加泥土的稳定性。添加剂也可注射在切割头/抽取螺钉中，以便确保剥离物保持足够黏着而在阿基米德螺旋中形成插塞，从而维持切割头中的压力并且阻止水流过。

在一个实施方案中，第二切割头24配备或包含多个第二切割元件，并且第二驱动构件106装配在钻探头顶上以驱动钻探头82的第二切割元件。通常，驱动构件106包含延伸到钻探头82与法兰81之间的间隙中的多个电动机。驱动构件106是切割头24驱动模块组合件的一部分，所述组合件由以下主要组件组成：驱动模块壳体79(如图17和18所最佳展示)、主轴承以及相关密封布置，并且驱动电动机106具有行星齿轮箱和驱动小齿轮。主轴承的外部静止部件被连接到驱动模块壳体79，所述壳体又连结到切割头挡板组合件83。切割头24被附接到主轴承的内部旋转部件。

多个电力驱动电动机106和行星齿轮箱被附接到驱动模块壳体79，其中驱动功率(转矩和速度)将通过与主轴承的大齿轮匹配的驱动小齿轮来传递。驱动模块由切割头挡板(即，上文所提及的保护性管状挡板支撑布置)包围，并且在钻探操作期间由第六致动器布置84的推力圆柱体向下推进。

钻探系统12还包含竖井内衬架台110，其现在将特别参看图8、9、11、12、13以及14来描述。竖井内衬架台110包含具有宽松地容纳柱体14的内套环114的圆形竖井内衬平台112，其中多个推力圆柱体115(如图11所最佳展示)在平台112的下部面与齿轮壳体34之间延伸，用于调节和控制平台112和齿轮壳体34之间(因此，平台112和第一切割头16的支撑主体28之间)的相对距离。

在一个实施方案中，竖井内衬架台110包含竖井内衬系统，所述竖井内衬系统用于在钻探系统12向下前进时将预制混凝土内衬区段116安装到钻出孔20的内侧壁。所述竖井内衬系统包含：内衬区段运载装置118，用于将内衬区段116下降到钻出孔20中；以及区段装配臂119(如图19所示)，用于从内衬区段运载118装置取回内衬区段116并且抵靠钻出孔20的侧壁来放置所述内衬区段。在平台112四周，双轨轨道可固定到舱板以支撑具备装配臂119的双运载系统，其允许安装内衬区段116。如果需要，用于锚钻孔、探头钻孔和/或泥土注射钻孔的支撑设备也可支撑在平台112上。

在一个实施方案中，内衬区段运载装置118对应于外部吊桶，因此，外部吊桶118下降到孔20中，内衬区段116将同时下降到孔20中。在一个实施方案中，外部吊桶118通过界定于上覆圆形平台122中的孔口120，并且竖井内衬架台110的竖井内衬平台112还界定孔口120以允许外部吊桶118朝着第一切割头16向下进一步前进。

在一个实施方案中，各圆形平台122界定一对在直径上对置的孔口120。在一个实施方案中，竖井内衬架台110的圆形竖井内衬平台112具有大于上覆平台122的直径，并且直径上的差异足够适应装配到钻出孔20的内侧壁的混凝土内衬区段116的厚度(其原因在下文将变得更清楚)。

在一个实施方案中，竖井内衬架台110的竖井内衬平台112由多功能挡板42包围，所述挡板横向于竖井内衬平台112而延伸，以便邻接钻出孔20的内侧壁。

挡板42通过紧固布置124可释放地紧固到竖井内衬平台112，紧固布置124包含界定于竖井内衬平台112中的多个径向延伸的通道126(如图13所最佳展示)。各通道126包含可移动臂127(在图19和20中最佳展示)，所述可移动臂可在当挡板42与竖井内衬平台112脱啮时的收回脱啮位置和当所述臂从通道126突出而啮合界定于挡板42中的紧固孔口128(通常沿着挡板42的高度居中)以便相对于竖井内衬平台112暂时紧固挡板42时的展开啮合位置之间移动。

在使用时，挡板42通常被维持在展开啮合位置中。然而，在某些应用中和/或在当孔20正在钻探中时的某些点处，可能需要使挡板42脱啮。这一情况可(例如)在柱体14需要吊运到钻出孔20外时发生。最后，挡板42可仅留在适当位置，或其可被分散并从钻出孔20移出。能够在孔20正在钻探中时对孔20的侧壁加内衬显然非常有利。

在一个实施方案中，如图11所最佳展示，多个可伸缩致动圆柱体130在挡板42内侧、邻近于挡板42而设置在平台112周围。这些圆柱体130在内衬区段抵靠孔20的侧壁放置时支撑内衬区段116，使得挡板42暂时定位于区段116与所述侧壁之间。

通常，当圆柱体130处于下降位置中，区段116可防止在圆柱体130的顶部。圆柱体130可接着被致动以将区段116在灌注在适当位置之前吊运到适当位置。这是特别独特的安全特征，因为孔20的侧壁绝不会向平台112上的人员暴露；所述人员能够看到的就是紧固的内衬区段116和处于内衬区段116的最底下环状物下方的挡板42。

在一个实施方案中，挡板42具备钢刷(或充气式主体)，其在砂浆被泵送到内衬区段116与侧壁之间的间隙中时捕捉砂浆，由此减少砂浆的浪费。另外，挡板42包含多个挡板区段，所述多个挡板区段在内衬区段116在安装期间压在所述挡板区段的上部部分上时可径向地展现(如图11所最佳展示)，以使得所述挡板区段能够恰好压在所述壁上。在一个实施方案中，邻近的挡板区段的垂直边缘彼此重叠，并具有阶梯式布置，从而也防止砂浆透过挡板42渗出。

在一个版本中，区段装配臂从安装在竖井内衬平台112上或附近的液压圆柱体延伸，并布置成在各个收回位置和展开位置之间移动，以从内衬区段运载装置118取回内衬区段116并且抵靠孔20的侧壁紧固所述内衬区段。所述区段装配臂还能够上下移动和旋转，以有助于对内衬区段116的抓持、操纵以及放置。

如图14所最佳展示，内衬区段116包含多个弯曲的主要内衬区段116.1、一对末端内衬区段116.2和116.3以及用于插入在末端内衬区段116.2和116.3对之间的锁定内衬区段116.4，以界定内衬区段116的环状物132。在一个实施方案中，主要内衬区段116.1弯曲，以最终界定内衬区段116的环状物132，以内衬或覆盖圆形竖井20。主要内衬区段116.1包含基本上矩形的主体，所述主体具有弯曲内面和布置成邻接竖井20的侧壁的相应弯曲外面。

在一个实施方案中，各末端内衬区段116.2、116.3具有邻接相应主要内衬区段116.1的直线边缘的直线边缘，和对置的有角度或楔形边缘。末端内衬区段116.2、116.3因此界定在所述区段之间的具有楔形边缘的梯形空间或间隙，并且锁定内衬区段116.4具有相应的楔形边缘，使得在插入末端内衬区段116.2、116.3之对之间之后，锁定内衬区段116.4界定将内衬区段116的环状物132锁定在一起的钥匙(key)。

在一个实施方案中，十二个主要内衬区段116.1、两个末端内衬区段116.2、116.3以及锁定内衬区段116.4可用于对竖井20的圆周环整体加内衬。

参看图2和11，推力圆柱体115示出了其完全展开配置。通常，在使用时，推力圆柱体115会占用收回更多的配置，以使得内衬区段116可直接安装在第一切割头16上方。

现在特别转到图8和9，上部收集平台140设置在竖井内衬架台110上方，在所述上部收集平台上方设置上部收集贮仓142，钻屑由内部吊桶52从下部收集贮仓44吊运到所述上部收集贮仓中，所述吊桶在沿柱体14上移后可转移(通常由柱体内的第一倾卸布置进行),以便于随后由外部吊桶118进行收集。这一布置也在图19中示出。外部吊桶118然后可随后吊运穿过界定于上覆平台122中的孔口120，直到地面。上部收集贮仓142包含贮仓主体144，所述贮仓主体界定：入口溜槽开口146(如图9所最佳展示)，从内部吊桶52接收钻屑；以及在柱体14外的排口溜槽出口148，所述排口溜槽出口在上部收集平台140上与外部吊桶118成直线，以便于后续收集。

通常，设置一对在直径上对置的上部收集贮仓142，以使钻屑沉淀到一对在直径上对置的外部吊桶118中。

如图8所最佳展示，直接在上部收集平台140上方的柱体14的部分包含服务舱口150，用于使人员能够进入柱体14以便于检测和/或维护。

钻探系统12包含多个上覆工作平台122，用于界定备用系统，在上部收集平台140上方。这些平台122通常包含液压装置、电动机、分离装置、分离泵、热交换器等，其中的一些已在上文描述。各平台122界定一对在直径上对置的孔口120，以容纳穿过平台122上下移动的外部吊桶118。内部吊桶绞车152设置在平台122中的一个平台上，以使内部吊桶52在柱体14中上下移动。还设置了中心柱体服务绞车154，从而有助于维护，包含第一切割头16上的变化切割器。

在一个实施方案中，柱体14包含双壁主体以便于界定环，所述环又分离成多个通路，以便有助于流体(即，液体或气体)沿柱体14的上下输送。在最上部平台122上方，如图15所最佳展示，柱体14被分成多个单独管道和管(但结合在一起，从而形成单一主体，被称为钻杆160)。各钻杆160通常包含：中心管柱162，其用于支撑在竖井中的柱体14；6英寸进水管164，水可通过所述进水管向下流(通常是干净的冷水，如上文参看图21所描述)；6英寸出水管166，水可通过所述出水管向上和向下泵送(通常是污水，亦如上文所描述)；以及一对对置的通风管168、170。

柱体14具有重型空心钢构造并形成第一切割头16的轴线，并且运载所有各个设备、装备以及组件。由钻探操作产生的反作用力是通过中心柱体14来转换。在钻探期间，柱体14借助于抓持器布置60和稳定化布置72来支撑和稳定。

现在参看图20中的通风图，通常，相对清洁的空气172处于第一切割头16上方，而灰尘174处于第一切割头16下方。灰尘将沿在柱体14的环圈176中的一个或多个通路向上抽取，然后沿通风管168、170继续向上，直到地面，如箭头178所示。

现在转到图1到5，钻探系统12包含：

-地上支撑钻机布置180，其包含：

○主要高架起重机组合件182；

○地面钻机184，用于支撑钻杆160和柱体14，地面钻机184具有：平台186，所述平台至少7米高，以有助于使用十字头187组装和拆卸通常7米长的钻杆160；以及

○工作台188，

-至少一个吊桶提升机190，用于使外部吊桶118在所述竖井中上下移动；以及

-至少一个架台提升机192，用于使服务驾驭平台194沿钻杆160上下移动。

如图6和7所最佳展示，缆线196、198分别从提升机190、192延伸，分别越过井架布置200、202，直到地面钻机184，并分别地连接到外部吊桶118/服务平台194。

用于服务平台194的缆线198(如图6所示)越过井架布置202，向下且围绕服务平台194的底部，接着向上返回，并在地面钻机184上的上部点处紧固在适当位置。存在两个架台提升机192，且因此存在与服务平台194相互作用的四根缆线。

通常，存在两个单独的吊桶提升机190以使得外部吊桶118能够独立地操作。

还设置了与所述主要高架起重机组合件分开的次要高架起重机组合件204，如图22所示，以帮助将场地准备好以及使地面上的设备的各个部分移动。

如图4中示意性地所指示，设置了第二倾卸布置206，以在外部吊桶118已经被吊运到地面钻机184上方、进入到邻近溜槽208、210中之后，将所述外部吊桶倾卸，所述溜槽将所述吊桶的内含物引导到在支撑钻机布置180的任一侧上的收集隔间212、214中，以便随后用合适机械移除。

在一个实施方案中，各个高架起重机182、204、地面钻机184以及工作台188被布置成在装配于地面上的轨道220(或轨条，长度可为约60米)上行进，从而有助于钻探系统12的当场建立。

在使用时，参看图22到28，首先通过如下操作来准备场地：执行打桩操作以支撑地上支撑钻机布置180，准备地基，钻出预沉槽240(虽然在一些情况下，所述槽不是所需或所要的)，安装轨道220，以及建立预制设备。接着组装起重机182、204、地面钻机184以及工作台188，然后安装提升机190、192。接着组装各个机器组件，包含钻探头82、抓持器布置60、第一切割头16以及各个平台122。钻探接着可开始，随后进行第一石门挖掘250、第二石门挖掘252以及竖井底部254，分别如图26、27以及28所示。石门250、252用于为开采水平做准备。

通常，以上操作中的多个、组装以及建立可同时进行，从而显著地缩短准备场地所需的总时间。举例来说，在已经组装主要和次要高架起重机组合件182、204之后，这些操作又可用于分别组装地面钻机184和工作台188。

因此，特别参看图22，在场地已经完全准备好之后，主要和次要高架起重机组合件182、204，以及地面钻机184和工作台188(其隐藏在地面钻机184下)全部可沿着轨道移动，并且各个平台122是按照平台被需要的顺序布置(即，最底下的平台将最接近预沉孔)。用于竖井内衬平台112的挡板42以及钻杆160(即，管道和管的单一主体)也在手边，准备使用。

如图24所最佳展示，首先将钻探头82插入到预沉孔240(如果需要或想要，但必要的)中，接着将柱体14和抓持器布置60装配在钻探头82上方。接着将第一切割器16安装在抓持器布置60上方，接着将上覆平台122安装在第一切割头16上方，以便最终界定图1和2所示的钻探系统12。这一过程通常使用主要高架起重机组合件182来完成，而次要高架起重机组合件204用于使用地面上设备的各个部分移动。接着致动第一切割头16，并且利用组合第三致动器布置和第六致动器布置(分别用于使抓持器布置60沿着柱体14的长度移动，和使钻探头82前进)，结合抓持器布置60的抓持和释放，钻探系统12可继续向下钻探(仅需要随着孔20前进而添加额外钻杆160)。

当到达第一挖掘水平250时，如图26所示，钻探头28和第一切割头16继续钻探穿过这一水平250，直到所需挖掘水平250上方的竖井20已内衬有混凝土内衬区段116时为止。接着使用第一致动器40将可移动端翼部分32.2收回/吊运，以使得竖井扩大布置10能够充分地向上吊运，从而使得所需机械(例如，多用途小型挖掘机251)能够下降穿过平台112中的孔口120，以进行第一挖掘250，泥土/岩石接着被装载到外部吊桶118，接着向上吊运到地面。

在这次挖据期间，第一切割头16不旋转，从而使得外部吊桶118能够一直降低，穿过第一切割头16的翼状布置30并使钻探头82到达其所要的位置。能够使设备能够穿过第一切割头16的翼状布置30上下行进特别有利。

本发明的钻探系统允许从地面构造盲井，并且在一个实施方案中，可挠钻探直径范围在8米与15米之间。可达到2000m的最大竖井深度，并且通过安装预制混凝土区段来同时执行最终竖井内衬。所述系统能够在不利泥土状况下以及在极硬的岩层中进行竖井钻探。

竖井钻探是借助于组合两个钻探单元，即在机器(或同等设备)的底部处的泥浆钻探头单元和竖井铰刀单元(即，第一切割头)，来执行，所述两个单元以交替的钻探循环使用。换句话说，两个钻探单元通常不能同时操作，即，两个钻探单元(导向孔单元和竖井铰刀单元)依次执行其钻探行程。在一个实施方案中，泥浆钻探头的行程是第一切割头的行程的两倍。泥浆钻探单元钻探直径为大约4.8米的导向孔，其接着用竖井铰刀单元(即，第一切割头)扩大到最终钻探直径。

借助于泥浆系统将来自导向孔的钻出岩石从钻探面有效率地移出，接着进行分离并装载到地面吊装系统(包含内部吊桶和外部吊桶的组合，如上所述)。特定地，导向孔在较大第一切割头下提供空间，其允许来自第一切割头的绞孔动作的废渣被收集在内建的废渣贮仓(即，下部收集贮仓44)中，所述贮仓可装载到在主体14内部中行进的内部吊桶52中。在第一切割头上方，上部收集贮仓142允许废渣转移到地面吊装系统的外部吊桶中。竖井壁通过在第一切割头在前进的同时直接在第一切割头上方安装预制混凝土区段来加内衬。这与从第一切割头下方延伸到钻探头布置的末端的支撑管状挡板布置一起始终确保导向孔以及扩大竖井中的支撑。

假想，本发明的钻探系统12可钻探1.5m/h之内衬竖井，且总共大约12米每天。更假想，本发明的钻探系统能提供大约50mm的竖井轴精度。抓持器/推力系统60被布置成定位于由切割头钻出的导向区段内，从而允许将竖井内衬区段116直接安装在第一切割头16上方，此便于确保内衬区段不会被抓持器布置60破坏。有利地，内衬区段116的安装可与钻探头布置22或第一切割头16的钻探操作同时进行。

另外，钻探系统12允许通过利用吊装布置的外部吊桶18从钻出竖井挖掘石门(例如，石门250、252)。有利地，由于钻探系统12被设计成允许废渣和钻屑在内部转移通过各个平台，因此石门的挖掘可同时进行。