本發明屬于礦產資源勘探，具體涉及一種超聲波振動輔助破巖裝置及鉆進方法。
背景技術：
1、隨著我國深部礦產資源開采與硬巖隧道建設需求的持續增長，破巖作業逐漸從淺層軟巖向深部硬巖地層進軍，不可避免得會面臨高巖壓、高硬度地層帶來的破巖效率低、設備損耗大等問題。據資料顯示，地層巖石抗壓強度每提升50mpa，傳統機械回轉破巖的鉆進效率會下降30%～40%，且會加快鉆頭切削齒磨損速率，頻繁換刀不僅會中斷施工進度，還會使耗材成本增加。
2、超聲波振動破巖技術是在高頻周期性振動力作用下，使巖石表面或局部產生疲勞損傷，進而促使巖石整體發生破壞的一種高效破巖方法。超聲波振動破巖裝置作為室內開展試驗的關鍵設備，目前已廣泛用于巖樣可鉆性評價、鉆具性能與壽命測試等研究，其試驗結果對優化鉆具結構、建立巖樣可鉆性分級體系以及提高實際鉆探效率具有重要的理論與工程意義。隨著工業發展對油氣及礦產資源需求的持續增長，為提高鉆進效益，對鉆探工藝與裝備性能的要求也日益提升。超聲波振動回轉破巖裝置具有環境適應性強、使用范圍廣等優勢，能夠有效模擬真實鉆進過程中動力頭回轉、給進與提升等運動，并實現鉆壓、轉速、進尺等關鍵鉆進參數的實時監測、采集與處理。
3、目前，現有技術中雖已有針對超聲輔助破巖進行研究的前例，但現有裝置存在能量傳遞低效、結構復雜、便攜性差等缺陷，難以滿足現場施工需求。但是，現有技術中，尚未報道能實現超聲波振動與回轉動作深度協同、適配不同巖性與深部工況的一體化破巖裝置及使用方法。
4、因此，急需研發一種適配深部硬巖地層的超聲波振動輔助破巖裝置，其對提升破巖效率、延長設備壽命、降低工程成本具有重要價值，也是推動深部資源開發與地下空間建設的關鍵技術突破方向。
技術實現思路
1、本發明的目的就在于，提供一種超聲波振動輔助破巖裝置，還提供一種上述超聲波振動輔助破巖裝置的鉆進方法，以解決現有破巖裝置在硬巖地層中效率低、設備損耗大、能量傳遞不充分的問題。
2、本發明是通過以下技術方案實現的：
3、一種超聲波振動輔助破巖裝置，由機架與加載系統、回轉鉆進系統、超聲波振動系統、鉆井液循環冷卻系統及測量控制系統組成；
4、其中，所述機架與加載系統包括鉆機底座22，所述鉆機底座22上固定有四根立柱8，立柱8上端與頂板3固定，形成支撐框架；液壓油缸1安裝在頂板3上，液壓油缸1的活塞桿向下延伸，并與位移板6連接；所述位移板6底部安裝四個滑套7，滑套7套在立柱8上，液壓油缸1能夠驅動位移板6沿立柱8上的滑套7上、下滑動；所述鉆機底座22上安裝有兩個與鉆井液循環冷卻系統的滑動水槽20配合的滑軌21；
5、所述回轉鉆進系統是由電機4、鉆桿15和鉆頭16、巖樣17、夾板18以及緊固裝置19組成；所述電機4的輸出軸穿過位移板6與鉆桿15上端通過聯軸器連接，鉆桿15下端通過螺紋與鉆頭16連接；所述巖樣17放置于滑動水槽20上，通過夾板18和緊固裝置19固定；
6、所述超聲波振動系統包括固定于鉆桿15上的導電滑環9，導電滑環9的外環通過支架用螺栓或焊接固定在位移板6上，法蘭盤10設于振動器殼體13頂部，彈簧11其上端與法蘭盤10連接，壓電陶瓷組12其上端與彈簧11的下端連接，其下端與振動器殼體13固定連接；壓電陶瓷組12通過導線26與導電滑環9下端面連接，構成旋轉電連接接口，振動器殼體13固定在鉆桿15上，位于導電滑環9下方；
7、所述鉆井液循環冷卻系統包括安裝在鉆桿15上端的水龍頭14，其通過柔性管道連接循環泵25，循環泵25通過管道與泥漿池23相連，將泥漿池23中的鉆井液經循環泵25泵入水龍頭14中，流經鉆桿15內部通道后從鉆頭16排出至滑動水槽20中，滑動水槽20底部設有排水口，通過管道連接至泥漿池23；
8、所述測量控制系統包括壓力傳感器2、位移傳感器5、流量計24、導線26和控制器27；所述壓力傳感器2安裝在液壓油缸1與電機4的接觸面，用于實時監測鉆壓；位移傳感器5安裝在頂板3與位移板6之間，用于監測鉆進位移，進尺速度；所述流量計24安裝在連接泥漿池23和循環泵25的柔性管道上，用于監測鉆井液流量；所述控制器27分別通過導線26與壓力傳感器2、位移傳感器5、流量計24、導電滑環9、碳刷10、壓電陶瓷片組12相連。
9、進一步地，所述四根立柱8分別通過螺栓固定在鉆機底座22的四個角處，立柱8上端與頂板3通過螺栓固定，液壓油缸1通過螺栓安裝在頂板3上。
10、進一步地，兩個滑軌21用于安裝滑動水槽20，滑動水槽20下部與滑軌21滑動配合，能夠沿滑軌21移動。
11、進一步地，所述電機4與液壓油缸1同軸設置，通過聯軸器連接，電機4提供回轉動力，其通過螺栓固定在位移板6中部，驅動鉆桿15和鉆頭16旋轉，用于實現鉆具的回轉切削。
12、進一步地，所述鉆頭16能夠根據巖樣類型選擇，為表鑲、孕鑲金剛石鉆頭或pdc鉆頭。
13、進一步地，所述緊固裝置19采用絲杠結構，其輸出端與夾板18連接，通過旋轉絲杠驅動夾板18夾緊巖樣17，進而將巖樣17固定，確保鉆進過程中巖樣17不移動。
14、進一步地，所述導電滑環9和振動器殼體13分別通過螺栓固定在鉆桿15上，導電滑環9為過孔式熱電偶導電滑環，其內徑轉動、外徑固定。
15、進一步地，所述壓電陶瓷組12的數量為4個。
16、進一步地，所述控制器27能夠接收壓力傳感器2、位移傳感器5、流量計24、導電滑環9、壓電陶瓷片組12信號，通過內置算法處理數據，輸出控制信號至液壓油缸1、電機4、循環泵25和超聲波振動系統，實現參數調整，還能將檢測到的所有信號經信號處理器轉換、放大后經顯示器28實時動態顯示。
17、一種超聲波振動輔助破巖裝置的鉆進方法，其特征在于，包括以下步驟：
18、s1，根據實驗或工程需要，準備標準巖樣17，記錄巖樣物理性質；在控制器27上設定初始鉆進參數：鉆壓、轉速、超聲波振動頻率、振幅；
19、s2，將巖樣17放置于滑動水槽20上，啟動緊固裝置19，通過旋轉絲杠，驅動夾板18夾緊巖樣17，確保巖樣17在鉆進過程中無松動；
20、s3，施加軸向鉆壓，在顯示器28上啟動加載系統，對鉆桿15施加軸向鉆壓；控制器27控制液壓油缸1驅動位移板6向下移動，使鉆頭16頂住巖樣17表面；通過調壓閥控制按鈕設定恒壓或恒速加載模式；
21、s4，啟動循環泵25，通過控制循環泵25的調節閥，控制鉆井液流量至設定值；鉆井液從泥漿池23泵入水龍頭14，流經鉆桿15內部通道，從鉆頭16排出，冷卻鉆頭并攜帶巖屑進入滑動水槽20，最后，返回泥漿池23循環；
22、s5，啟動電機4，驅動鉆桿15和鉆頭16以設定轉速回轉，回轉切削作用開始破巖；
23、s6，啟動超聲波振動系統，控制器27通過導電滑環9將電流傳輸至壓電陶瓷組12；壓電陶瓷組12激發振動器殼體13產生高頻機械振動，經振動器殼體13放大后，通過鉆桿15傳遞至鉆頭16，引起鉆頭軸向高頻振動；振動參數可根據巖樣硬度通過控制器實時調整；
24、s7，實時監測與自適應調整，通過測量控制系統實時監測鉆壓、位移、流量等參數，并動態調整鉆壓、轉速及超聲波振動參數以實現自適應鉆進；控制器27根據傳感器反饋，動態調整參數：若位移傳感器5顯示進尺速度下降，控制器27自動增加鉆壓或超聲波振幅；若壓力傳感器2顯示鉆壓過高，控制器降低鉆壓并提高振動頻率；流量計24確保鉆井液流量穩定，若流量異常，控制器調整循環泵轉速；所有數據實時顯示在顯示器28上，操作員可手動干預或啟用全自動模式；
25、s8，結束鉆進，鉆進完成后，依次關閉系統：先關閉超聲波振動系統，停止電流輸出；再關閉加載系統，液壓油缸1復位；然后，關閉回轉鉆進系統，停止電機4；關閉鉆井液循環冷卻系統，停止循環泵25；最后，關閉測量控制系統，切斷電源；松開緊固裝置19，取出巖樣17，清理裝置。
26、與現有技術相比，本發明的有益效果是：
27、1、本發明通過集成超聲波振動技術與傳統回轉鉆進技術，采用導電滑環與碳刷的旋轉電連接接口，確保電流在鉆桿高速旋轉時無間斷傳輸至壓電陶瓷組，變幅桿式振動器放大振動振幅，并直接傳遞至鉆頭，避免了能量損失；
28、2、超聲波振動系統產生高頻機械振動與回轉切削協同作用，使巖石表面產生疲勞損傷，降低巖石抗壓強度，減少鉆頭與巖石之間的摩擦阻力和所需軸向壓力，從而大幅提高破巖速度。
29、3、本發明超聲波振動輔助破巖裝置，可在實驗室內有效開展聯合破巖實驗，系統研究振動參數與回轉鉆進參數對破巖效率的協同影響，從而為優化超聲波振動鉆具的結構設計、評價其破巖性能提供一種可靠的實驗平臺。