CN103850684A - 一种竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，包括如下步骤：(a)利用反井钻机钻进导井；(b)利用竖井掘进机钻进，使导井刷大到所需要直径的竖井；(c)在竖井井壁进行挂网和喷射混凝土，形成临时支护井壁；(d)利用竖井掘进机刷大掘进到下部巷道后，由上向下，逐渐拆除竖井掘进机组件。本发明的凿井工艺使得在有导井的情况下利用竖井掘进机一次钻进就形成设计直径的竖井井筒，适用于煤矿、金属、非金属等地下矿井竖井井筒施工。

Description

一种竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺

技术领域

本发明涉及一种凿井工艺，特别涉及一种竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺。

背景技术

在现有技术中，现有岩石地层矿井建设工程，多采用普通法凿井施工，需要工作人员下到几百米深的狭小开挖工作面，用钻机机具钻爆破孔、装炸药、工作面爆破、将爆破破碎的岩石通过吊桶提升到地面、工作面排水、然后进行支护等作业。机械化水平低、劳动力投入多、工作环境艰苦、安全条件差、事故时有发生，且爆破对围岩扰动较大，原岩应力变化大，支护困难。其中装岩、排水等工序占总施工时间的三分之一到三分之二，施工速度慢(30-40m／月)。在实际施工过程中，由于这些矿井井筒工程有约20％具有下部巷道(隧道)，因此可以采用反井钻机施工。反井钻井施工工艺具有劳动强度低、成井质量好、速度快、工效高及人身安全有可靠地保障等优点。

但是，普通反井钻技术是通过导孔钻进、扩孔钻进完成一个小直径的井筒(1-3m)，不能满足井筒功能要求，需要经过一次或多次刷井作业，其和普通法凿井有许多类似之处，都需布置提绞设备和井架，在井内铺设压风、供水、下料等各种管线，在刷井过程中靠打眼放炮破碎岩石，进行临时支护和永久支护。井筒中除布置吊盘外，还有封闭溜矸石孔的封口盘，其施工工序为打眼爆破-清除岩渣(岩渣通过溜矸孔溜到下水平)-临时支护-永久支护。

目前，在有导井的情况下，尚没有能够一次钻成设计直径的竖井凿井工艺。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，使得在有导井的情况下利用竖井掘进机一次钻进就形成设计直径的竖井井筒。

本发明的技术方案是这样实现的：一种竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，包括如下步骤：

(a)利用反井钻机钻进导井；

(b)利用竖井掘进机钻进，使导井刷大到所需要直径的竖井；

(c)在竖井井壁进行挂网和喷射混凝土，形成临时支护井壁；

(d)利用竖井掘进机刷大掘进到下部巷道后，由上向下，逐渐拆除竖井掘进机组件。

上述竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，在步骤(a)中：首先对地面不稳定地层进行开挖，浇筑混凝土形成反井钻机基础和竖井掘进机锁口，在反井钻机基础上安装反井钻机；其次利用反井钻机由上向下，钻进直径为1.6-1.8m的钻孔，钻孔下口与下部巷道连通，钻孔偏斜控制在小于或等于0.5％，钻孔作为导井用于刷大，导井钻进完成后，将导井到锁口部分的混凝土开挖掉。

上述竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，在步骤(b)中：首先在导井上口周围的地面上安装用于凿井的竖井掘进机井架，然后在临近竖井掘进机井架的地面上分别安装凿井提升机、凿井稳车和竖井掘进机提升机，再利用竖井掘进机井架将竖井掘进机和多功能吊盘安装到位，并在导井上口处安装封口盘，最后利用竖井掘进机钻进，使导井刷大到所需要直径的竖井；凿井提升机驱动提升吊桶在竖井内上升和下降，凿井稳车通过绳索与竖井掘进机的钻杆上端连接以便在竖井掘进机掘进竖井时稳住竖井掘进机，竖井掘进机提升机通过绳索与多功能吊盘连接以便多功能吊盘在竖井内上升和下降。

上述竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，竖井掘进机井架包括倾斜支撑架和横梁，横梁的两端与位于其两端的倾斜支撑架固定连接；在横梁上固定安装有第一定滑轮、第二定滑轮和第三定滑轮，第一绳索的一端绕在竖井掘进机提升机上、另一端绕过多功能吊盘上的动滑轮后固定在横梁上，第二绳索的一端绕在凿井稳车上、另一端依次绕过第二定滑轮和安装在钻杆上端的动滑轮后固定在横梁上，第三绳索的一端绕在凿井提升机上、另一端绕过第三定滑轮后与提升吊桶连接。

上述竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，其特征在于，在步骤(c)中：利用多功能吊盘在钻进形成的竖井中进行挂网和喷射混凝土，形成临时的支护井壁；多功能吊盘包括保护盘、中层盘和下层盘，保护盘位于中层盘的上方，下层盘位于中层盘的下方，保护盘与中层盘之间以及下层盘与中层盘之间均通过立柱刚性连接；保护盘与第一绳索连接，通过第一绳索带动保护盘、中层盘和下层盘一起上下运动；在保护盘、中层盘和下层盘上的上下对应位置开设有可通过竖井掘进机的钻杆的钻杆孔，并且在中层盘和下层盘上的上下对应位置开设有供吊桶运行的喇叭口；在中层盘上分别安装有支撑液压油缸和液压操作台，在下层盘上也安装有支撑液压油缸，通过支撑液压油缸使吊盘支撑在未支护的井帮上，竖井掘进机与支撑液压油缸驱动连接，支撑液压油缸用于稳固吊盘，防止吊盘上下移动和旋转；下层盘上固定安装有锚杆钻机，竖井掘进机与锚杆钻机驱动连接；竖井掘进机位于下层盘的下方，在下层盘上设通往竖井掘进机的操作平台的安全通道，在安全通道上设有带保护栏的连接扶梯；下层盘到中层盘以及中层盘到保护盘设有连接扶梯，保护盘和中层盘上均设有出口；中层盘安装喷浆机和混凝土材料分料及暂存装置，在中层盘进行挂网和喷射混凝土作业；保护盘、中层盘和下层盘上均设有信号系统，通过信号系统能够联系地面操作控制人员；上层盘设立安全防护防冲击缓冲层；

多功能吊盘下行时，中层盘和下层盘上的支撑液压油缸收回，通过信号系统联系地面操作控制人员，使第一绳索悬吊着多功能吊盘下降一个支护段高，接着伸出中层盘和下层盘上的支撑液压油缸，使多功能吊盘支撑在未支护的井帮上，支撑液压油缸动力来源竖井掘进机，支撑液压油缸用于稳固多功能吊盘，防止多功能吊盘上下移动和旋转；

支护时，利用竖井掘进机的动力，驱动下层盘上固定安装的锚杆钻机工作，钻进不同角度、直径和深度的锚杆孔；操作人员在下层盘上进行锚杆安装、充填和锁紧固定；同时，在中层盘上，利用喷浆机和混凝土材料分料及暂存装置进行挂网和喷射混凝土作业而形成临时支护井壁。

上述竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，竖井掘进机包括主框架结构、旋转驱动系统、破岩钻头、轴向推进系统和支撑系统，旋转驱动系统、轴向推进系统和支撑系统分别安装在主框架结构上；支撑系统的支撑板可以沿主框架结构的径向做往复运动，以便使得主框架结构悬停在竖井中或沿竖井轴向运动；旋转驱动系统与破岩钻头驱动连接以便驱动破岩钻头旋转；轴向推进系统与旋转驱动系统驱动连接以便推动旋转驱动系统和破岩钻头一起沿竖井轴向运动；主框架结构包括上框架、下框架和立柱，立柱的一端与上框架固定连接，立柱的另一端与下框架固定连接；轴向推进系统驱动旋转驱动系统沿立柱滑动；旋转驱动系统上开设有与立柱外形相配合的滑槽，旋转驱动系统通过滑槽与立柱的滑动配合安装在主框架结构上；轴向推进系统为推进油缸，推进油缸的缸筒和活塞杆二者中的任意一个与主框架结构固定连接，推进油缸的缸筒和活塞杆二者中的另一个与旋转驱动系统连接；支撑系统包括上支撑系统和下支撑系统，上支撑系统安装在上框架上，下支撑系统安装在下框架上；上框架上固定安装有安全保护罩，安全保护罩内分别安装有电控系统、液压系统和操作台；上框架和下框架均为轴向中部镂空的圆角方形框架，上框架的框架边和下框架的框架边上下一一对应，立柱为四个并且均固定安装在上框架的框架边和下框架的框架边之间，立柱的横截面为棱柱或侧面上设置有凸棱的棱柱，每个立柱的上端头与其正上方的上框架的框架边下表面固定连接、下端头与其正下方的下框架的框架边上表面固定连接；上支撑系统为四个并且分别安装在上框架的四个框架边上，下支撑系统为四个并且分别安装在下框架的四个框架边上；旋转驱动系统包括电机、齿轮箱和输出主轴，电机的动力输出端与齿轮箱的动力输入端驱动连接，齿轮箱的动力输出端与输出主轴的上端驱动连接，输出主轴的下端与破岩钻头固定连接；推进油缸为四个，其中两个推进油缸的缸筒固定安装在上框架的第一框架边上，另外两个推进油缸的缸筒固定安装在与第一框架边相对的上框架的第二框架边上，推进油缸的缸筒在框架边上均自上而下贯穿框架边而安装固定，推进油缸的活塞杆远离缸筒的一端与旋转驱动系统连接；第一框架边上安装的立柱夹在第一框架边上安装的两个推进油缸的缸筒之间，第二框架边上安装的立柱夹在第二框架边上安装的两个推进油缸的缸筒之间；上支撑系统和下支撑系统均包括支撑板、支撑油缸和导向杆，支撑油缸的缸筒临近支撑板的一端与支撑板内侧铰接安装在一起，支撑油缸的缸筒远离支撑板的一端可以进入或退出框架边上的第二导向孔，导向杆的一端也与支撑板内侧铰接安装在一起，导向杆的另一端伸入到框架边上的第一导向孔，支撑油缸的缸筒与第二导向孔之间以及导向杆与第一导向孔之间均为间隙配合，支撑油缸的推进杆远离缸筒的一端穿过第二导向孔并通过法兰盘与框架边固定连接；导向杆为两个，并且分别位于支撑油缸的左右两侧；导向杆和支撑板的铰接轴与缸筒和支撑板的铰接轴相互垂直；在推进杆内且沿推进杆轴向钻有第一进回油孔和第二进回油孔，第一进回油孔自推进杆远离缸筒一端的端面延伸至与活塞腔流体导通，第二进回油孔自推进杆远离缸筒一端的端面延伸至与活塞杆腔流体导通；

竖井掘进机在竖井钻进施工时：竖井掘进机掘进通过破岩钻头，向破岩滚刀施加破岩推力和旋转扭矩，滚刀破岩以挤压机械方式破碎岩石，破碎的岩屑沿井底滑动，进入导井，下落到下部巷道，由下部运输系统装运；破岩钻头和旋转驱动系统的输出主轴以法兰盘连接，输出主轴对破岩钻头施加推进力和旋转扭矩；输出主轴的旋转扭矩来自旋转驱动系统的齿轮箱，电机带动齿轮箱齿轮系统旋转，实现减速，达到所需要输出的转速和扭矩；输出主轴输出的推进力沿输出主轴和竖井的轴向，此推进力由连接在齿轮箱上的推进油缸产生，推进油缸通过推进齿轮箱使齿轮箱在主框架结构内沿立柱上下滑动，以便向输出主轴传递推进力；推进油缸的缸筒和上框架的框架边固定连接，推进油缸的活塞杆和齿轮箱固定连接，通过推进油缸的活塞杆的上下运动，带动齿轮箱上下运动；四立柱作为齿轮箱上下运动的滑动轨道，并将齿轮箱破岩反扭矩传递到主框架结构上，主框架结构再通过四个上支撑系统和四个下支撑系统而支撑在井帮岩壁上，上支撑系统和下支撑系统还承受破岩反推力；完成破岩后，收回支撑系统的支撑板，推进油缸缩回，即：推进油缸的缸筒带动主框架一起靠近破岩钻头；主框架结构沿竖井轴向向下移动一段距离，然后支撑油缸推动支撑板继续支撑在岩石表面，经找正后，继续下一循环钻进。

上述竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，破岩钻头包括钻头中心轴和具有倾向侧边的翼板，钻头中心轴的上端顶部通过法兰盘与输出主轴固定连接，翼板沿钻头中心轴的轴线直立安装在钻头中心轴的侧立面上，倾向侧边自上而下逐渐靠近钻头中心轴，并且倾向侧边与钻头中心轴的距离大于零，在倾向侧边上安装有破岩滚刀；翼板为六个且沿钻头中心轴的圆周方向均匀分布，沿钻头中心轴的圆周方向上：相邻翼板之间的夹角为60度；钻头中心轴的下端头部固定安装有超前钻头，超前钻头包括倒立圆台和破岩滚刀，倒立圆台的上底面面积大于倒立圆台的下底面面积，倒立圆台的上底面与钻头中心轴的下端头部固定连接或一体成型，安装在倒立圆台的下底面上的破岩滚刀为中心刀，安装在倒立圆台的侧面上的破岩滚刀为正刀；倒立圆台的上底面直径与钻头中心轴的下端头部直径相等。

上述竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，倾向侧边的上端安装的两个破岩滚刀为边刀，两个边刀沿倾向侧边的宽度方向排列；自边刀向下沿倾向侧边的长度方向安装的破岩滚刀为正刀，正刀沿倾向侧边的长度方向自上而下一字排开；安装在任意一个翼板的倾向侧边上的正刀与安装在倒立圆台的侧面上且临近这个翼板的正刀在一条直线上而形成一个正刀组；并且相邻正刀组的正刀在钻头中心轴周向相间分布；边刀与倾向侧边可拆卸连接；钻头中心轴与倾向侧边的夹角为45度。

本发明的有益效果是：

(1)本发明凿井工艺，适用于煤矿、金属、非金属等地下矿井竖井井筒施工，竖井井筒可以作为通风井、下料井或提升井，竖井下口已建成巷道，形成生产系统，竖井上口在地面；

(2)导井将刷大过程破碎岩渣、地层涌水，下落到下水平排出，导井还可以作为通风孔，利用矿井原有的通风系统，实现刷大过程通风；

(3)竖井掘进机井架，用于竖井刷大过程人员、材料提升运输，提吊竖井掘进机多功能吊盘等；

(4)竖井掘进机将导井一次性扩大到所需要直径；刷大掘进破岩从原来人工钻眼爆破方法，变为采用滚刀机械破岩；利用下水平巷道(隧道)生产系统出渣、排水，竖井施工过程不从井筒上口排渣、排水的废弃物；

(5)相对于普通法凿井，本工艺可以减少70％以上井下凿井施工作业人员，提高凿井安全性，大大减轻工人体力；

(6)相对普通法凿井伞钻钻眼，工作面噪音大大降低，减轻工人职业伤害。

附图说明

图1为本发明凿井工艺中的竖井掘进机的结构示意图。

图1中：10-上框架，20-下框架，30-旋转驱动系统，40-破岩钻头，50-上支撑系统，60-下支撑系统，70-推进油缸的缸筒，80-推进油缸的活塞杆，90-立柱，100-安全保护罩，110-操作控制台，120-液压系统，130-电控系统。

图2为本发明凿井工艺中的竖井掘进机的上支撑系统和下支撑系统的结构示意图。

图2中：2-1-支撑板，2-2-支撑油缸，2-3-导向杆，2-4-承载套，2-5-推进杆，2-6-法兰盘，2-7-第一进回油孔，2-8-第二进回油孔，2-9-加强肋板。

图3为本发明凿井工艺中的竖井掘进机的破岩钻头的主视结构示意图。

图4为图3所示本发明凿井工艺中的竖井掘进机的破岩钻头的俯视结构示意图。

图5为图3所示本发明凿井工艺中的竖井掘进机的破岩钻头的仰视结构示意图。

图3至图5中：1-1-钻头中心轴，1-2-翼板，1-3-倾向侧边，1-4-边刀，1-5-正刀，1-6-倒立圆台，1-7-中心刀，1-8-法兰盘，A为45度角。

图6为本发明凿井工艺的施工示意图。

图6中：100-竖井掘进机井架，200-凿井稳车，300-竖井掘进机提升机，400-多功能吊盘，3-15-竖井掘进机，600-直径1.6m导井，700-下部运输系统，800-混凝土罐车，900-提升吊桶，1000-支护井壁，1100-凿井提升机，1200-倾斜支撑架，1300-横梁，1400-第一定滑轮，1500-第二定滑轮，1600-第三定滑轮，3-1-第一绳索，1800-第二绳索，1900-第三绳索，2000-动滑轮，3-13-钻杆，2200-封口盘。

图7本发明凿井工艺中多功能吊盘的结构示意图。

图7中：3-1为第一绳索；3-2为保护盘；3-3为喇叭口；3-4为立柱；3-5为支撑液压油缸；3-6为护栏；3-7为中层盘；3-8为喷浆机；3-9为锚杆钻机；3-10为操作台；3-11为下层盘；3-12为连接扶梯；3-13为钻杆；3-14为操作平台；3-15为竖井掘进机。

具体实施方式

如图6所示，本实施例竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，包括如下步骤：

(a)利用反井钻机钻进导井

首先对地面不稳定地层进行开挖，浇筑混凝土形成反井钻机基础和竖井掘进机锁口，在反井钻机基础上安装反井钻机；其次利用反井钻机由上向下，钻进直径为1.6-1.8m的钻孔，钻孔下口与下部巷道连通，钻孔偏斜控制在小于或等于0.5％，钻孔作为导井用于刷大，导井钻进完成后，将导井到锁口部分的混凝土开挖掉；

(b)利用竖井掘进机钻进，使导井刷大到所需要直径的竖井

首先在导井上口周围的地面上安装用于凿井的竖井掘进机井架100，然后在临近竖井掘进机井架100的地面上分别安装凿井提升机1100、凿井稳车200和竖井掘进机提升机300，再利用竖井掘进机井架100将竖井掘进机3-15和多功能吊盘400安装到位，并在导井上口处安装封口盘2200，最后利用竖井掘进机钻进，使导井刷大到所需要直径的竖井；凿井提升机1100驱动提升吊桶900在竖井内上升和下降，凿井稳车200通过绳索与竖井掘进机的钻杆上端连接以便在竖井掘进机掘进竖井时稳住竖井掘进机，竖井掘进机提升机300通过绳索与多功能吊盘400连接以便多功能吊盘400在竖井内上升和下降。

竖井掘进机井架100包括倾斜支撑架1200和横梁1300，横梁1300的两端与位于其两端的倾斜支撑架1200固定连接；在横梁1300上固定安装有第一定滑轮1400、第二定滑轮1500和第三定滑轮1600，第一绳索3-1的一端绕在竖井掘进机提升机300上、另一端绕过多功能吊盘400上的动滑轮2000后固定在横梁1300上，第二绳索1800的一端绕在凿井稳车200上、另一端依次绕过第二定滑轮1500和安装在钻杆上端的动滑轮2000后固定在横梁1300上，第三绳索1900的一端绕在凿井提升机1100上、另一端绕过第三定滑轮1600后与提升吊桶900连接。

如图1所示，竖井掘进机包括主框架结构、旋转驱动系统30、破岩钻头40、轴向推进系统和支撑系统，旋转驱动系统30、轴向推进系统和支撑系统分别安装在主框架结构上；支撑系统的支撑板2-1可以沿主框架结构的径向做往复运动，以便使得主框架结构悬停在竖井中或沿竖井轴向运动；旋转驱动系统30与破岩钻头40驱动连接以便驱动破岩钻头40旋转；轴向推进系统与旋转驱动系统30驱动连接以便推动旋转驱动系统30和破岩钻头40一起沿竖井轴向运动。主框架结构包括上框架10、下框架20和立柱90，立柱90的一端与上框架10固定连接，立柱90的另一端与下框架20固定连接；轴向推进系统驱动旋转驱动系统30沿立柱90上下滑动。旋转驱动系统30上开设有与立柱90外形相配合的滑槽，旋转驱动系统30通过滑槽与立柱90的滑动配合安装在主框架结构上；轴向推进系统为推进油缸，推进油缸的缸筒70和活塞杆二者中的任意一个与主框架结构固定连接，推进油缸的缸筒70和活塞杆二者中的另一个与旋转驱动系统30连接。本实施例的支撑系统包括上支撑系统50和下支撑系统60，上支撑系统50安装在上框架10上，下支撑系统60安装在下框架20上。上框架10上固定安装有安全保护罩100，安全保护罩内分别安装有电控系统130、液压系统120和操作控制台110。

在本实施例中：上框架10和下框架20均为轴向中部镂空的圆角方形框架，上框架10的框架边和下框架20的框架边上下一一对应，立柱90为四个并且均固定安装在上框架10的框架边和下框架20的框架边之间，立柱90的横截面为棱柱或侧面上设置有凸棱的棱柱，每个立柱90的上端头与其正上方的上框架10的框架边下表面固定连接、下端头与其正下方的下框架20的框架边上表面固定连接；上支撑系统50为四个并且分别安装在上框架10的四个框架边上，下支撑系统60为四个并且分别安装在下框架20的四个框架边上；旋转驱动系统30包括电机、齿轮箱和输出主轴，电机的动力输出端与齿轮箱的动力输入端驱动连接，齿轮箱的动力输出端与输出主轴的上端驱动连接，输出主轴的下端与破岩钻头40固定连接；推进油缸为四个，其中两个推进油缸的缸筒70固定安装在上框架10的第一框架边上，另外两个推进油缸的缸筒70固定安装在与第一框架边相对的上框架10的第二框架边上，推进油缸的缸筒70在框架边上均自上而下贯穿框架边而安装固定，推进油缸的活塞杆80远离缸筒的一端与旋转驱动系统30连接；第一框架边上安装的立柱90夹在第一框架边上安装的两个推进油缸的缸筒70之间，第二框架边上安装的立柱90夹在第二框架边上安装的两个推进油缸的缸筒70之间。

如图2所示，本实施例中的上支撑系统50和下支撑系统60包括支撑板2-1、支撑油缸2-2和两个导向杆2-3；支撑油缸2-2包括缸筒和推进杆2-5，缸筒为一个承载套2-4，承载套2-4临近支撑板2-1的一端与支撑板2-1内侧铰接安装在一起，承载套2-4远离支撑板2-1的一端可以进入或退出框架边上的第二导向孔，支撑油缸2-2的推进杆2-5远离承载套2-4的一端穿过第二导向孔并通过法兰盘与框架边固定连接；两个导向杆2-3的其中一端分别与支撑板2-1内侧铰接安装在一起，并且两个导向杆2-3分别位于支撑油缸2-2的左右两侧，两个导向杆2-3的另一端分别深入到框架边上的第一导向孔中，承载套2-4与第二导向孔之间以及导向杆2-3与第一导向孔之间均为间隙配合【本实施例中：导向杆2-3的外径与第一导向孔的内径相等，承载套2-4外径与第二导向孔的内径相等，这样能够形成比较紧密的间隙配合】。两根导向杆2-3起到防止支撑结构围绕推进杆2-5转动的问题。在本实施例中，导向杆2-3和支撑板2-1的铰接轴与承载套2-4和支撑板2-1的铰接轴相互垂直，这样使得本实施例支撑结构能够缓冲来自上、下、左、右的作用力，使得本实施例的支撑结构在用于掘进机径向支撑的同时，还能有效提供掘进机旋转扭矩的平衡反力，并且能够同时保证支撑结构不会有较大的摆动及变形。为了使得导向杆能够更好地承受力，两个导向杆2-3均为钢棒。支撑板2-1内侧面上设置有加强肋板2-9，使得支撑板2-1在相同厚度的情况下其强度大大提高。在推进杆2-5内且沿推进杆2-5轴向钻有第一进回油孔2-7和第二进回油孔2-8，第一进回油孔2-7自推进杆2-5远离承载套2-4一端的端面延伸至与活塞腔流体导通，用于活塞腔进、回液压油；第二进回油孔2-8自推进杆2-5远离承载套2-4一端的端面延伸至与活塞杆腔流体导通，用于活塞杆腔进、回液压油。另外，在支撑板2-1外侧面上堆焊耐磨材料，起到支撑岩体防滑和耐磨作用。支撑油缸2-2施加推进力，满足支撑板2-1和掘进机钻出的孔帮接触，并承受相应载荷。在竖井掘进机工作过程中，承载套2-4起到将岩帮作用在支撑结构的切向和轴向承受传递到竖井掘进机框架上。本实施例的支撑系统用于掘进机径向支撑的同时，还能有效提供掘进机旋转扭矩的平衡反力。另外，此支撑系统也可以应用于隧道(巷道)全断面、部分断面掘进机，控制掘进机工作姿态并达到承受工作反扭矩形成的切向荷载。

如图3至图5所示，破岩钻头40包括包括钻头中心轴1-1和两个或两个以上具有倾向侧边1-3的翼板1-2，翼板1-2沿钻头中心轴1-1的轴线直立安装在钻头中心轴1-1的侧立面上，倾向侧边1-3自上而下逐渐靠近钻头中心轴1-1，并且倾向侧边1-3与钻头中心轴1-1的距离大于零，在倾向侧边1-3上安装有破岩滚刀；倾向侧边1-3的上端安装的两个破岩滚刀为边刀1-4，两个边刀1-4沿倾向侧边1-3的宽度方向排列；自边刀1-4向下沿倾向侧边1-3的长度方向安装的破岩滚刀为正刀1-5，正刀1-5沿倾向侧边1-3的长度方向自上而下一字排开。在本实施例中，翼板1-2为六个并且翼板1-2沿钻头中心轴1-1的圆周方向均匀分布；即：沿钻头中心轴1-1的圆周方向上，相邻翼板1-2之间的夹角为60度。

为了防止在导井发生偏斜的情况下，钻出的井筒随着导井的偏斜而发生偏斜，在钻头中心轴1-1的下端头部固定安装有超前钻头。超前钻头包括倒立圆台1-6和破岩滚刀，倒立圆台1-6的上底面面积大于倒立圆台1-6的下底面面积，倒立圆台1-6的上底面与钻头中心轴1-1的下端头部固定连接或一体成型，安装在倒立圆台1-6的下底面上的破岩滚刀为中心刀1-7，安装在倒立圆台1-6的侧面上的破岩滚刀为正刀1-5；安装在任意一个翼板1-2的倾向侧边1-3上的正刀1-5与安装在倒立圆台1-6的侧面上且临近这个翼板1-2的正刀1-5在一条直线上而形成一个正刀1-5组；并且相邻正刀1-5组的正刀1-5在钻头中心轴1-1周向相间分布，这样对周围岩石进行全方位破碎，不留死角，并且使得井筒内壁比较平滑，不会在井筒内壁上形成环形凹槽。

由于设置了超前钻头，一方面可以有效地防止在导井发生偏斜的情况下，钻出的井筒随着导井的偏斜而发生偏斜；另一方面可以对上方落下的岩石(翼板1-2上的破岩滚刀在钻进过程中对岩石破碎过程中产生的)进行二次破碎，重复破碎率高，避免大块岩石堵塞导井而使钻井过程中产生的渣土不能沿导井下落到底部巷道内的渣土运输车上。

为了使得钻进过程中产生的渣土能够顺利地沿相邻翼板1-2之间的空间下落到导井井口，在本实施例中倒立圆台1-6的上底面直径与钻头中心轴1-1的下端头部直径相等；使得钻进过程中产生的渣土能够顺利地沿相邻翼板之间的空间下落到导井井口，进而被超前钻头二次破碎后沿导井顺利下落到底部巷道内的渣土运输车上。钻头中心轴1-1与倾向侧边1-3的夹角为45度，这样更加有利于钻井过程中产生的渣土下落而沿导井落到底部巷道内的渣土运输车上。另外，边刀1-4与倾向侧边1-3可拆卸连接，以便钻进完成进行设备拆除时，减少直径，使钻头能够顺利沿竖井运出。

此外，在本实施例中的翼板1-2之间设置有检修梯，用于钻头维修和破岩滚刀更换；钻头中心轴1-1的上端顶部固定安装有法兰盘1-8，竖井掘进机旋转系统的输出主轴下端头与法兰盘1-8驱动连接，以便提供给破岩钻头40破碎岩石的钻压和扭矩。

在本实施例中，采用的中心刀1-7和正刀1-5布置方式，用于破碎反井钻机导井岩石变形造成导井直径变化部分岩石，还具有纠正部分导井偏斜，以满足工程应用。

本实施例中的破岩钻头40具有如下优点：(1)适用于有导井条件下钻进竖井井筒，并且可纠正导井偏斜。(2)钻头设超前钻头部分，采用中心刀和正刀布置方式，用于破碎反井钻机导井岩石变形造成导井直径变化部分岩石，还具有纠正部分导井偏斜，以满足工程应用。(3)重复破碎率高，钻进过程中产生的岩石碎块较小。(4)钻井过程中产生的渣土及岩石碎块能够靠自重顺利地沿导井下落到底部巷道内的运输车上，避免使用升降设备沿已经钻好的井筒向上运送到地面，不但节约人工成本，并且工作效率大大高，加速井筒钻进的施工进度。

本发明掘进机在竖井钻进施工时：掘进机掘进通过破岩钻头40，向破岩滚刀施加破岩推力和旋转扭矩，滚刀破岩以挤压机械方式破碎岩石，破碎的岩屑沿井底滑动，进入导井，下落到下部巷道，由下部运输系统700装运；破岩钻头40和旋转驱动系统30的输出主轴以法兰盘连接，输出主轴对破岩钻头40施加推进力和旋转扭矩；输出主轴的旋转扭矩来自旋转驱动系统30的齿轮箱，本实施例中由四台变频电机带动齿轮箱齿轮系统旋转，实现减速，达到所需要输出的转速、扭矩；输出主轴输出的推进力(沿输出主轴和竖井的轴向)，此推进力由连接在齿轮箱上的推进油缸产生，推进油缸通过推进齿轮箱使齿轮箱在主框架结构内沿立柱上下滑动，以便达到向输出主轴传递推进力的目的；由推进油缸作为动力使得齿轮箱可以在主框架结构内沿立柱90上下滑动，推进油缸的缸筒和上框架10的框架边固定连接，推进油缸的活塞杆80和齿轮箱固定连接，通过推进油缸的活塞杆80的上下运动，带动齿轮箱上下运动；四立柱90作为齿轮箱上下运动的滑动轨道，并将齿轮箱破岩反扭矩传递到主框架结构上，主框架结构再通过四个上支撑系统50和四个下支撑系统60而支撑在井帮岩壁上，上支撑系统50和下支撑系统60还承受破岩反推力；完成破岩后，收回支撑系统的支撑板2-1，推进油缸缩回(推进油缸的缸筒70带动主框架一起靠近破岩钻头40)；主框架结构沿竖井轴向向下移动一段距离，然后支撑油缸2-2推动支撑板2-1继续支撑在岩石表面，经找正后，继续下一循环钻进；掘进机上部设置的电控系统130、液压系统120和操作控制台110，应用控制钻机运行，并监控运行状态；设置的安全保护罩可保护工作人员安全；另外，掘进机还可以设有有害气体探测，防止有害气体超限；掘进机还可以设有远控和监控系统，在特殊条件下可以地面安全位置远控操作，实现特殊地层条件钻进。

(c)利用多功能吊盘400在钻进形成的竖井井壁进行挂网和喷射混凝土，形成临时支护井壁1000。

如图7所示，多功能吊盘400包括保护盘3-2、中层盘3-7和下层盘3-11，保护盘3-2位于中层盘3-7的上方，下层盘3-11位于中层盘3-7的下方，保护盘3-2与中层盘3-7之间以及下层盘3-11与中层盘3-7之间均通过立柱3-4刚性连接；保护盘3-2与第一绳索3-1连接，通过第一绳索3-1带动保护盘3-2、中层盘3-7和下层盘3-11一起上下运动；在保护盘3-2、中层盘3-7和下层盘3-11上的上下对应位置开设有可通过竖井掘进机3-15的钻杆3-13的钻杆孔，并且在中层盘3-7和下层盘3-11上的上下对应位置开设有供吊桶运行的喇叭口3-3。保护盘3-2、中层盘3-7和下层盘3-11的盘面均采用型钢及钢板，立柱3-4采用钢管进行刚性连接。

保护盘3-2是主要保护盘，其上设置有安全防护防冲击缓冲层，同时也为承载盘，其由第一绳索3-1悬吊，通过立柱3-4承受整个吊盘的重量。保护盘3-2、中层盘3-7和下层盘3-11的盘面均采用型钢及钢板，立柱3-4采用钢管进行刚性连接。

在中层盘3-7上分别安装有支撑液压油缸3-5和液压操作台3-10，在下层盘3-11上也安装有支撑液压油缸3-5，通过支撑液压油缸3-5使吊盘支撑在未支护的井帮上，竖井掘进机3-15与支撑液压油缸3-5驱动连接，支撑液压油缸3-5用于稳固吊盘，防止吊盘上下移动和旋转。中层盘3-7安装喷浆机3-8和混凝土材料分料及暂存装置，在中层盘3-7进行挂网和喷射混凝土作业。

下层盘11上固定安装有锚杆钻机3-9，竖井掘进机15与锚杆钻机3-9驱动连接。竖井掘进机3-15驱动锚杆钻机3-9工作，以便在井壁上钻进不同角度、直径、深度的锚杆孔。利用下层盘3-11进行锚杆安装，充填和锁紧固定。

竖井掘进机3-15位于下层盘3-11的下方，竖井掘进机3-15掘进荒径为5.8m、先导孔为1.6m；在下层盘3-11上设通往竖井掘进机3-15的操作平台3-14的安全通道，在安全通道上设有带保护栏的连接扶梯3-12。

下层盘3-11到中层盘3-7以及中层盘3-7到保护盘3-2设有连接扶梯3-12，保护盘3-2和中层盘3-7上均设有出口。保护盘3-2、中层盘3-7和下层盘3-11上均设有信号系统，通过信号系统能够联系井口、绞车房及掘进机操作控制人员。另外，上层盘3-2设立安全防护防冲击缓冲层。

吊盘下行时，中层盘3-7和下层盘3-11上的支撑液压油缸3-5收回，通过信号系统联系井口、绞车房控制人员，使第一绳索3-1悬吊着吊盘下降一个支护段高，接着伸出中层盘7和下层盘3-11上的支撑液压油缸3-5，使吊盘支撑在未支护的井帮上，油缸动力来源竖井掘进机3-15，油缸用于稳固吊盘，防止吊盘上下移动和旋转。

支护时，利用竖井掘进机3-15的动力，驱动下层盘3-11上固定安装的锚杆钻机3-9工作，钻进不同角度、直径、深度的锚杆孔。操作人员在下层盘3-11上进行锚杆安装、充填和锁紧固定。同时，在中层盘3-7上，利用喷浆机3-8和混凝土材料分料及暂存装置，在中层盘3-7进行挂网和喷射混凝土作业而形成临时支护井壁1000。

(d)利用竖井掘进机刷大掘进到下部巷道后，由上向下，逐渐拆除竖井掘进机组件。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，其特征在于，包括如下步骤：

(a)利用反井钻机钻进导井；

(b)利用竖井掘进机钻进，使导井刷大到所需要直径的竖井；

(c)在竖井井壁进行挂网和喷射混凝土，形成临时支护井壁；

(d)利用竖井掘进机刷大掘进到下部巷道后，由上向下，逐渐拆除竖井掘进机组件。

2.根据权利要求1所述的竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，其特征在于，在步骤(a)中：首先对地面不稳定地层进行开挖，浇筑混凝土形成反井钻机基础和竖井掘进机锁口，在反井钻机基础上安装反井钻机；其次利用反井钻机由上向下，钻进直径为1.6-1.8m的钻孔，钻孔下口与下部巷道连通，钻孔偏斜控制在小于或等于0.5％，钻孔作为导井用于刷大，导井钻进完成后，将导井到锁口部分的混凝土开挖掉。

3.根据权利要求2所述的竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，其特征在于，在步骤(b)中：首先在导井上口周围的地面上安装用于凿井的竖井掘进机井架，然后在临近竖井掘进机井架的地面上分别安装凿井提升机、凿井稳车和竖井掘进机提升机，再利用竖井掘进机井架将竖井掘进机和多功能吊盘安装到位，并在导井上口处安装封口盘，最后利用竖井掘进机钻进，使导井刷大到所需要直径的竖井；凿井提升机驱动提升吊桶在竖井内上升和下降，凿井稳车通过绳索与竖井掘进机的钻杆上端连接以便在竖井掘进机掘进竖井时稳住竖井掘进机，竖井掘进机提升机通过绳索与多功能吊盘连接以便多功能吊盘在竖井内上升和下降。

4.根据权利要求3所述的竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，其特征在于，竖井掘进机井架包括倾斜支撑架和横梁，横梁的两端与位于其两端的倾斜支撑架固定连接；在横梁上固定安装有第一定滑轮、第二定滑轮和第三定滑轮，第一绳索的一端绕在竖井掘进机提升机上、另一端绕过多功能吊盘上的动滑轮后固定在横梁上，第二绳索的一端绕在凿井稳车上、另一端依次绕过第二定滑轮和安装在钻杆上端的动滑轮后固定在横梁上，第三绳索的一端绕在凿井提升机上、另一端绕过第三定滑轮后与提升吊桶连接。

5.根据权利要求4所述的竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，其特征在于，在步骤(c)中：利用多功能吊盘在钻进形成的竖井中进行挂网和喷射混凝土，形成临时的支护井壁；多功能吊盘包括保护盘、中层盘和下层盘，保护盘位于中层盘的上方，下层盘位于中层盘的下方，保护盘与中层盘之间以及下层盘与中层盘之间均通过立柱刚性连接；保护盘与第一绳索连接，通过第一绳索带动保护盘、中层盘和下层盘一起上下运动；在保护盘、中层盘和下层盘上的上下对应位置开设有可通过竖井掘进机的钻杆的钻杆孔，并且在中层盘和下层盘上的上下对应位置开设有供吊桶运行的喇叭口；在中层盘上分别安装有支撑液压油缸和液压操作台，在下层盘上也安装有支撑液压油缸，通过支撑液压油缸使吊盘支撑在未支护的井帮上，竖井掘进机与支撑液压油缸驱动连接，支撑液压油缸用于稳固吊盘，防止吊盘上下移动和旋转；下层盘上固定安装有锚杆钻机，竖井掘进机与锚杆钻机驱动连接；竖井掘进机位于下层盘的下方，在下层盘上设通往竖井掘进机的操作平台的安全通道，在安全通道上设有带保护栏的连接扶梯；下层盘到中层盘以及中层盘到保护盘设有连接扶梯，保护盘和中层盘上均设有出口；中层盘安装喷浆机和混凝土材料分料及暂存装置，在中层盘进行挂网和喷射混凝土作业；保护盘、中层盘和下层盘上均设有信号系统，通过信号系统能够联系地面操作控制人员；上层盘设立安全防护防冲击缓冲层；

多功能吊盘下行时，中层盘和下层盘上的支撑液压油缸收回，通过信号系统联系地面操作控制人员，使第一绳索悬吊着多功能吊盘下降一个支护段高，接着伸出中层盘和下层盘上的支撑液压油缸，使多功能吊盘支撑在未支护的井帮上，支撑液压油缸动力来源竖井掘进机，支撑液压油缸用于稳固多功能吊盘，防止多功能吊盘上下移动和旋转；

支护时，利用竖井掘进机的动力，驱动下层盘上固定安装的锚杆钻机工作，钻进不同角度、直径和深度的锚杆孔；操作人员在下层盘上进行锚杆安装、充填和锁紧固定；同时，在中层盘上，利用喷浆机和混凝土材料分料及暂存装置进行挂网和喷射混凝土作业而形成临时支护井壁。

6.根据权利要求5所述的竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，其特征在于，竖井掘进机包括主框架结构、旋转驱动系统、破岩钻头、轴向推进系统和支撑系统，旋转驱动系统、轴向推进系统和支撑系统分别安装在主框架结构上；支撑系统的支撑板可以沿主框架结构的径向做往复运动，以便使得主框架结构悬停在竖井中或沿竖井轴向运动；旋转驱动系统与破岩钻头驱动连接以便驱动破岩钻头旋转；轴向推进系统与旋转驱动系统驱动连接以便推动旋转驱动系统和破岩钻头一起沿竖井轴向运动；主框架结构包括上框架、下框架和立柱，立柱的一端与上框架固定连接，立柱的另一端与下框架固定连接；轴向推进系统驱动旋转驱动系统沿立柱滑动；旋转驱动系统上开设有与立柱外形相配合的滑槽，旋转驱动系统通过滑槽与立柱的滑动配合安装在主框架结构上；轴向推进系统为推进油缸，推进油缸的缸筒和活塞杆二者中的任意一个与主框架结构固定连接，推进油缸的缸筒和活塞杆二者中的另一个与旋转驱动系统连接；支撑系统包括上支撑系统和下支撑系统，上支撑系统安装在上框架上，下支撑系统安装在下框架上；上框架上固定安装有安全保护罩，安全保护罩内分别安装有电控系统、液压系统和操作台；上框架和下框架均为轴向中部镂空的圆角方形框架，上框架的框架边和下框架的框架边上下一一对应，立柱为四个并且均固定安装在上框架的框架边和下框架的框架边之间，立柱的横截面为棱柱或侧面上设置有凸棱的棱柱，每个立柱的上端头与其正上方的上框架的框架边下表面固定连接、下端头与其正下方的下框架的框架边上表面固定连接；上支撑系统为四个并且分别安装在上框架的四个框架边上，下支撑系统为四个并且分别安装在下框架的四个框架边上；旋转驱动系统包括电机、齿轮箱和输出主轴，电机的动力输出端与齿轮箱的动力输入端驱动连接，齿轮箱的动力输出端与输出主轴的上端驱动连接，输出主轴的下端与破岩钻头固定连接；推进油缸为四个，其中两个推进油缸的缸筒固定安装在上框架的第一框架边上，另外两个推进油缸的缸筒固定安装在与第一框架边相对的上框架的第二框架边上，推进油缸的缸筒在框架边上均自上而下贯穿框架边而安装固定，推进油缸的活塞杆远离缸筒的一端与旋转驱动系统连接；第一框架边上安装的立柱夹在第一框架边上安装的两个推进油缸的缸筒之间，第二框架边上安装的立柱夹在第二框架边上安装的两个推进油缸的缸筒之间；上支撑系统和下支撑系统均包括支撑板、支撑油缸和导向杆，支撑油缸的缸筒临近支撑板的一端与支撑板内侧铰接安装在一起，支撑油缸的缸筒远离支撑板的一端可以进入或退出框架边上的第二导向孔，导向杆的一端也与支撑板内侧铰接安装在一起，导向杆的另一端伸入到框架边上的第一导向孔，支撑油缸的缸筒与第二导向孔之间以及导向杆与第一导向孔之间均为间隙配合，支撑油缸的推进杆远离缸筒的一端穿过第二导向孔并通过法兰盘与框架边固定连接；导向杆为两个，并且分别位于支撑油缸的左右两侧；导向杆和支撑板的铰接轴与缸筒和支撑板的铰接轴相互垂直；在推进杆内且沿推进杆轴向钻有第一进回油孔和第二进回油孔，第一进回油孔自推进杆远离缸筒一端的端面延伸至与活塞腔流体导通，第二进回油孔自推进杆远离缸筒一端的端面延伸至与活塞杆腔流体导通；

竖井掘进机在竖井钻进施工时：竖井掘进机掘进通过破岩钻头，向破岩滚刀施加破岩推力和旋转扭矩，滚刀破岩以挤压机械方式破碎岩石，破碎的岩屑沿井底滑动，进入导井，下落到下部巷道，由下部运输系统装运；破岩钻头和旋转驱动系统的输出主轴以法兰盘连接，输出主轴对破岩钻头施加推进力和旋转扭矩；输出主轴的旋转扭矩来自旋转驱动系统的齿轮箱，电机带动齿轮箱齿轮系统旋转，实现减速，达到所需要输出的转速和扭矩；输出主轴输出的推进力沿输出主轴和竖井的轴向，此推进力由连接在齿轮箱上的推进油缸产生，推进油缸通过推进齿轮箱使齿轮箱在主框架结构内沿立柱上下滑动，以便向输出主轴传递推进力；推进油缸的缸筒和上框架的框架边固定连接，推进油缸的活塞杆和齿轮箱固定连接，通过推进油缸的活塞杆的上下运动，带动齿轮箱上下运动；四立柱作为齿轮箱上下运动的滑动轨道，并将齿轮箱破岩反扭矩传递到主框架结构上，主框架结构再通过四个上支撑系统和四个下支撑系统而支撑在井帮岩壁上，上支撑系统和下支撑系统还承受破岩反推力；完成破岩后，收回支撑系统的支撑板，推进油缸缩回，即：推进油缸的缸筒带动主框架一起靠近破岩钻头；主框架结构沿竖井轴向向下移动一段距离，然后支撑油缸推动支撑板继续支撑在岩石表面，经找正后，继续下一循环钻进。

7.根据权利要求6所述的竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，其特征在于，破岩钻头包括钻头中心轴和具有倾向侧边的翼板，钻头中心轴的上端顶部通过法兰盘与输出主轴固定连接，翼板沿钻头中心轴的轴线直立安装在钻头中心轴的侧立面上，倾向侧边自上而下逐渐靠近钻头中心轴，并且倾向侧边与钻头中心轴的距离大于零，在倾向侧边上安装有破岩滚刀；翼板为六个且沿钻头中心轴的圆周方向均匀分布，沿钻头中心轴的圆周方向上：相邻翼板之间的夹角为60度；钻头中心轴的下端头部固定安装有超前钻头，超前钻头包括倒立圆台和破岩滚刀，倒立圆台的上底面面积大于倒立圆台的下底面面积，倒立圆台的上底面与钻头中心轴的下端头部固定连接或一体成型，安装在倒立圆台的下底面上的破岩滚刀为中心刀，安装在倒立圆台的侧面上的破岩滚刀为正刀；倒立圆台的上底面直径与钻头中心轴的下端头部直径相等。

8.根据权利要求7所述的竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，其特征在于，倾向侧边的上端安装的两个破岩滚刀为边刀，两个边刀沿倾向侧边的宽度方向排列；自边刀向下沿倾向侧边的长度方向安装的破岩滚刀为正刀，正刀沿倾向侧边的长度方向自上而下一字排开；安装在任意一个翼板的倾向侧边上的正刀与安装在倒立圆台的侧面上且临近这个翼板的正刀在一条直线上而形成一个正刀组；并且相邻正刀组的正刀在钻头中心轴周向相间分布；边刀与倾向侧边可拆卸连接；钻头中心轴与倾向侧边的夹角为45度。

Images