CN108086989A - 一种坚硬岩体无炮掘进装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种坚硬岩体无炮掘进装置，包括阶梯钻头、圆形滚刀、动力悬臂、升降油缸、回转架、机体架、摆动油缸、液压系统、操控台、电控箱、刮板机、行走机构、铲装装置、U形销，本发明动力大，结构简单紧凑，便于安装、拆卸，提高了掘进装备对坚硬岩体地质条件的适应性；采用阶梯形钻头先行钻孔可以降低坚硬岩体的强度和形成自由面，减小了机械刀具破碎坚硬岩体的难度，利用圆形滚刀可以实现坚硬岩体的高效挤压拉伸破碎；采用先钻孔卸压，再利用圆形滚刀挤压拉伸破碎坚硬岩体，大大提高了掘进装备破岩能力和效率，对我国深层高地应力岩体高效掘进具有推动作用，乃至对我国煤炭工业的可持续发展有重要的社会意义。

Description

一种坚硬岩体无炮掘进装置
技术领域
本发明涉及一种掘进装置，尤其涉及一种坚硬岩体无炮掘进装置。
背景技术
2015年，《BP世界能源统计年鉴》指出：中国仍然是世界最大的能源消费国，占全球消费量的23％ 和全球净增长的61％；煤炭资源消耗占消费总量的66.03％，在未来很长一段时期内作为我国主体能源具 有无法替代的地位。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020)》明确指出：亟需大力加强煤炭资 源安全高效开采和利用技术研究，明确要求重点研究深层和复杂地层矿体采矿技术。
目前，煤炭开采已经逐渐向深层和复杂地层发展，对深层、复杂地层煤炭资源安全高效开采技术和装 备提出了更高的要求和新的挑战。由于地应力的增大，通常深层、复杂地层煤岩的弹性模量、硬度和破坏 强度等随之增大，单轴抗压强度往往达到150MPa以上。虽然爆破掘进法具有灵活、方便、成本低、适应 性强以及不受地质条件变化影响的特点，但其存在工序多、安全性低、掘进效率低等缺点。机械切削破岩 时刀具磨损严重、消耗量大，主要用于切削破碎普氏硬度系数f≤8的煤岩；机械冲击可以破碎大部分煤岩， 但在坚硬煤岩(f>15)中工作存在球齿磨损严重和脱落、破岩效率低以及粉尘量大等问题，大大降低了机械 冲击破岩能力、效率以及设备使用寿命和可靠性，如何实现坚硬煤岩的安全高效破碎已经成为深层、复杂 地层煤炭等矿体资源高效开发的关键问题和难点。TBM掘进机圆形滚刀破岩能力强、耐磨损，但由于圆 形滚刀采用压碎岩石需要极大的推力，导致TBM掘进机在煤矿井下坚硬岩巷使用受限。在高地应力作用 下，深部掘进工作面岩体压张效应明显，近掘进面岩体易于拉裂。因此，采用圆形滚刀拉裂坚硬岩体是最 有效途径之一，采用阶梯形钻头钻孔为圆形滚刀形成自由面是破碎硬岩的重要环节。联合阶梯形钻头和圆 形滚刀破岩，可以降低滚刀磨损率和消耗量，延长滚刀使用寿命，改善机械破岩工作条件，实现坚硬岩石 的高效掘进。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种坚硬岩体无炮掘进装置，本发明结构简单，使用方便。本发明采用 阶梯形钻头钻孔为圆形滚刀形成自由面是破碎硬岩的重要环节。联合阶梯形钻头和圆形滚刀破岩，可以降 低圆形滚刀磨损率和消耗量，延长圆形滚刀使用寿命，改善机械破岩工作条件，实现坚硬岩石的高效掘进。
为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
本发明提供一种坚硬岩体无炮掘进装置，包括阶梯钻头(4)、圆形滚刀(5)、动力悬臂(6)、升 降油缸(7)、回转架(8)、机体架(9)、摆动油缸(10)、液压系统(11)、操控台(12)、电控箱(13)、刮板机(14)、行走机构(15)、铲装装置(16)、U形销(17)，伸出推进油缸(6-1)使阶梯 钻头(4)在坚硬岩体(1)上形成阶梯形岩孔(2)；缩回推进油缸(6-1)，利用U形销(17)将圆形滚 刀(5)固定在阶梯钻头(4)上，伸出推进油缸(6-1)使圆形滚刀(5)进入阶梯形岩孔(2)一定深度； 操作升降油缸(7)和摆动油缸(10)使圆形滚刀(5)挤压拉伸破岩，形成岩石碎片(3)；利用铲装装 置(16)、刮板机(14)、行走机构(15)组合完成岩石碎片(3)装载和输出；重复上述过程完成坚硬 岩体(1)快速掘进。
进一步的，所述回转架(8)、液压系统(11)、操控台(12)、电控箱(13)、刮板机(14)均安 装在机体架(9)上，机体架(9)安装在行走机构(15)上。
进一步的，所述动力悬臂(6)后端与回转架(8)铰接，动力悬臂(6)中部通过升降油缸(7)与回 转架(8)连接；所述的动力悬臂(6)输出旋转轴(6-4)由滚动轴承(6-7)和推力轴承(6-8)支撑安 装在滑动壳体(6-2)内，输出旋转轴(6-4)前端外花键(6-4-1)与阶梯钻头(4)内花键槽I(4-3-9) 相配合，输出旋转轴(6-4)后端外花键(6-4-2)与过度轴(6-6)内花键槽II(6-6-1)配合连接，过渡 轴(6-6)后端连接行星减速机构(6-5)旋转行星架(6-5-1)。
进一步的，所述动力悬臂(6)的滑动壳体(6-2)与外壳体(6-3)滑动连接，且滑动壳体(6-2)与 外壳体(6-3)通过推进油缸(6-1)连接，滑动壳体(6-2)前端面(6-2-1)与阶梯钻头体(4-3)后端 面(4-3-10)配合。
进一步的，所述阶梯钻头体(4-3)中部外圆柱段(4-3-1)表面上螺旋安装数个锥形合金牙齿(4-1)， 球形合金截齿(4-2)镶嵌在阶梯钻头体(4-3)端面(4-3-2)和非圆截面轴段II(4-3-4)外棱上，阶梯 钻头体(4-3)内部安装有镐形截齿(4-4)；圆形滚刀(5)通过U形销(17)固定在阶梯钻头体(4-3) 前端的非圆截面轴段I(4-3-1)上。
进一步的，所述非圆截面轴段I(4-3-3)上设有U形销插孔I(4-3-8)，钻头体(4-3)的过岩屑孔 (4-3-12)加工在钻头体(4-3)的中部外圆柱段(4-3-1)上，非圆截面轴段I(4-3-3)与中部外圆柱段 (4-3-1)之间设有非圆截面轴段II(4-3-4)，非圆截面轴段II(4-3-4)上加工对称通孔(4-3-5)， 钻头体(4-3)中心通孔(4-3-6)上焊接有镐形截齿座(4-3-7)，钻头体(4-3)后部设有内花键槽I(4-3-9) 和防尘圈槽(4-3-11)。
进一步的，所述圆形滚刀(5)的合金滚刀头(5-2)镶嵌在圆形滚刀体(5-1)上，圆形滚刀体(5-1) 内设有非圆形通孔(5-4)，圆形滚刀体(5-1)后部设有U形销插孔II(5-3)；所述合金滚刀头(5-2) 材质为硬质合金，由粉末冶金方法整体压制成型。
本发明的有益效果：
本发明采用液压油缸和电机驱动，动力大，掘进装备结构简单紧凑，便于安装、拆卸，减小掘进装备 的整体尺寸，提高掘进装备对坚硬岩体地质条件的适应性；采用阶梯形钻头先行钻孔可以降低坚硬岩体的 强度和形成自由面，减小了机械刀具破碎坚硬岩体的难度，然后利用圆形滚刀可以实现坚硬岩体的高效挤 压拉伸破碎；采用先钻孔卸压，再利用圆形滚刀挤压拉伸破碎坚硬岩体，可以大大提高掘进装备破岩能力 和效率，对我国深层高地应力岩体高效掘进具有推动作用，乃至对我国煤炭工业的可持续发展有重要的社 会意义。
附图说明
图1是硬岩巷道无炮掘进工艺及装备；
图2是动力悬臂剖视图；
图3是阶梯钻头和圆形滚刀示意图；
图4是阶梯钻头体三维剖视图；
图5是圆形滚刀剖视图。
图中：1—坚硬岩体；2—阶梯形岩孔；3—岩石碎片；4—阶梯钻头；5—圆形滚刀；6—动力悬臂；7 —升降油缸；8—回转架；9—机体架；10—摆动油缸；11—液压系统；12—操控台；13—电控箱；14—刮 板机；15—行走机构；16—铲装装置；17—U形销；4-1—锥形合金牙齿；4-2—球形合金截齿；4-3—阶梯 钻头体；4-4—镐形截齿；4-3-1—中部外圆柱段；4-3-2—端面；4-3-3—非圆截面轴段I；4-3-4—非圆截 面轴段II；4-3-5—对称通孔；4-3-6—中心通孔；4-3-7—镐形截齿座；4-3-8—U形销插孔I；4-3-9—内 花键槽I；4-3-10—后端面；4-3-11—防尘圈槽；4-3-12—过岩屑孔；5-1—圆形滚刀体；5-2—合金滚刀 头；5-3—U形销插孔II；5-4—非圆形通孔；6-1—推进油缸；6-2—滑动壳体；6-2-1—前端面；6-3—外壳体；6-4—输出旋转轴；6-4-1—前端外花键；6-4-2—后端外花键；6-5—行星减速机构；6-5-1—旋转 行星架；6-5-2—行星减速机构输入轴；6-6—过渡轴；6-6-1—内花键槽II；6-7—滚动轴承；6-8—推力 轴承；6-9—驱动电机。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：如图1至2所示，本发明的坚硬岩体无炮掘进装备，主要由阶梯钻头4、圆形滚刀5、动力 悬臂6、升降油缸7、回转架8、机体架9、摆动油缸10、液压系统11、操控台12、电控箱13、刮板机14、 行走机构15、铲装装置16、U形销17组成。所述的机体架9作为掘进装备其它部件的连接纽带，连接或 搭载回转架8、液压系统11、操控台12、电控箱13、刮板机14等；所述的行走机构15承载机体架9，可 以使掘进装备整体移动；所述的动力悬臂6为阶梯钻头4和圆形滚刀5破岩提供旋转扭矩，动力悬臂6外 壳体6-3的后端通过回转架8进而与摆动油缸10连接，动力悬臂6外壳体6-3中部通过升降油缸7与回 转架8连接，动力悬臂6输出旋转轴6-4通过滚动轴承6-7和推力轴承6-8支撑安装在滑动壳体6-2内部， 输出旋转轴6-4前端与阶梯钻头4配合连接，输出旋转轴6-4后端过渡轴6-6配合连接，过渡轴6-6后端 连接行星减速机构6-5的旋转行星架6-5-1，动力悬臂6的滑动壳体6-2与外壳体6-3滑动连接，滑动壳 体6-2与外壳体6-3通过推进油缸6-1连接为阶梯钻头4和圆形滚刀5破岩提供推进力；所述的升降油缸 7和摆动油缸10，与动力悬臂6外壳体6-3、回转架8以及机体架9构成多自由度机构，为阶梯钻头4和 圆形滚刀破岩5摆动力；
如图3至4所示，所述阶梯钻头4，阶梯钻头体4-3设有的中部外圆柱段4-3-1上螺旋安装数个锥形 合金牙齿4-1，阶梯钻头体4-3端面4-3-2和非圆截面轴段II 4-3-4外棱上镶嵌有数个球形合金截齿4-2， 镐形截齿4-4安装在阶梯钻头体4-3内部的镐形截齿座上，圆形滚刀5通过U形销17固定在阶梯钻头体 4-3前端的非圆截面轴段I 4-3-3上；所述阶梯钻头体4-3前端设有非圆截面轴段I 4-3-3，非圆截面轴 段I 4-3-3上加工有对称的U形销插孔I 4-3-8，阶梯钻头体4-3的过岩屑孔4-3-12加工在中部外圆柱段 4-3-1上，非圆截面轴段I 4-3-3与中部外圆柱段4-3-1之间设有非圆截面轴段II 4-3-4，非圆截面轴段 II 4-3-4上加工对称通孔4-3-5，钻头体4-3中心通孔4-3-6上焊接有镐形截齿座4-3-7，钻头体4-3后 部设有内花键槽I 4-3-9和防尘圈槽4-3-11。
如图5所示，所述的的圆形滚刀5由合金滚刀头5-2镶嵌在圆形滚刀体5-1上而成，圆形滚刀体5-1 内设有非圆形通孔5-4与阶梯钻头体4-3上的非圆截面轴段I 4-3-3配合连接，圆形滚刀体5-1后部设有 U形销插孔II 5-3利用U形销17与阶梯钻头体4-3固定，合金滚刀头5-2材料是采用粉末冶金方法整体 压制成型的硬质合金。
如图1至图5，所述的坚硬岩体无炮掘进工艺：(a)采用未安装圆形滚刀5的阶梯钻头4在坚硬岩 体1上形成阶梯形岩孔2；(b)将安装圆形滚刀5的阶梯钻头4伸入阶梯岩孔一定距离，操作升降油缸 7和摆动油缸10使圆形滚刀5挤压拉伸破岩，形成岩石碎片3；(c)利用铲装装置16、刮板机14、行走 机构15组合完成岩石碎片3装载和输出；重复上述过程完成坚硬岩体1快速掘进。
本发明坚硬岩体无炮掘进装备工作原理：掘进装备工作时，利用工作面电力系统给搭载在机体架9上 的液压系统11、动力悬臂6的驱动电机6-9供电，液压系统11形成供升降油缸7、摆动油缸10、推进油 缸6-1及行走机构15工作的压力油。操作操控台12，启动驱动电机6-9将旋转动力通过行星减速机构6-5、 过渡轴6-6、输出旋转轴6-4传递至阶梯钻头4；操作操控台12，启动液压系统11给推进油缸6-1、升降 油缸7和摆动油缸10供压力油，锁死升降油缸7和摆动油缸10，推进油缸6-1伸出使未安装圆形滚刀5 的阶梯钻头4钻进坚硬岩体1形成阶梯形岩孔2，完成阶梯形岩孔2钻进后缩回推进油缸6-1，阶梯形岩 孔2周围的坚硬岩体1在高地应力作用下强度得到卸载；操作操控台12，使推进油缸6-1伸出，将安装圆形滚刀5的阶梯钻头4伸入阶梯岩孔2一定深度；锁死推进油缸6-1，操作操控台12控制升降油缸7和摆 动油缸10使动力悬臂6整体摆动，圆形滚刀5旋转摆动挤压拉伸强度卸载后的坚硬岩体1，形成大量岩石 碎片3堆积在掘进装备前方；启动液压系统11给铲装装置16、刮板机14、行走机构15的驱动机构提供 压力油，行走机构15使掘进装备整体向前移动时，铲装装置16装载岩石碎片3，刮板机14输送岩石碎片， 它们联合工作完成岩石碎片3装载和输出；重复上述过程完成坚硬岩体1的快速掘进。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本 发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种坚硬岩体无炮掘进装置，其特征在于，包括阶梯钻头(4)、圆形滚刀(5)、动力悬臂(6)、升降油缸(7)、回转架(8)、机体架(9)、摆动油缸(10)、液压系统(11)、操控台(12)、电控箱(13)、刮板机(14)、行走机构(15)、铲装装置(16)、U形销(17)，伸出推进油缸(6-1)使阶梯钻头(4)在坚硬岩体(1)上形成阶梯形岩孔(2)；缩回推进油缸(6-1)，利用U形销(17)将圆形滚刀(5)固定在阶梯钻头(4)上，伸出推进油缸(6-1)使圆形滚刀(5)进入阶梯形岩孔(2)一定深度；操作升降油缸(7)和摆动油缸(10)使圆形滚刀(5)挤压拉伸破岩，形成岩石碎片(3)；利用铲装装置(16)、刮板机(14)、行走机构(15)组合完成岩石碎片(3)装载和输出；重复上述过程完成坚硬岩体(1)快速掘进。
2.根据权利要求1所述的一种坚硬岩体无炮掘进装置，其特征在于，所述回转架(8)、液压系统(11)、操控台(12)、电控箱(13)、刮板机(14)均安装在机体架(9)上，机体架(9)安装在行走机构(15)上。
3.根据权利要求1所述的一种坚硬岩体无炮掘进装置，其特征在于，所述动力悬臂(6)后端与回转架(8)铰接，动力悬臂(6)中部通过升降油缸(7)与回转架(8)连接；所述的动力悬臂(6)输出旋转轴(6-4)由滚动轴承(6-7)和推力轴承(6-8)支撑安装在滑动壳体(6-2)内，输出旋转轴(6-4)前端外花键(6-4-1)与阶梯钻头(4)内花键槽I(4-3-9)相配合，输出旋转轴(6-4)后端外花键(6-4-2)与过度轴(6-6)内花键槽II(6-6-1)配合连接，过渡轴(6-6)后端连接行星减速机构(6-5)旋转行星架(6-5-1)。
4.根据权利要求3所述的一种坚硬岩体无炮掘进装置，其特征在于，所述动力悬臂(6)的滑动壳体(6-2)与外壳体(6-3)滑动连接，且滑动壳体(6-2)与外壳体(6-3)通过推进油缸(6-1)连接，滑动壳体(6-2)前端面(6-2-1)与阶梯钻头体(4-3)后端面(4-3-10)配合。
5.根据权利要求4所述的一种坚硬岩体无炮掘进装置，其特征在于，所述阶梯钻头体(4-3)中部外圆柱段(4-3-1)表面上螺旋安装数个锥形合金牙齿(4-1)，球形合金截齿(4-2)镶嵌在阶梯钻头体(4-3)端面(4-3-2)和非圆截面轴段II(4-3-4)外棱上，阶梯钻头体(4-3)内部安装有镐形截齿(4-4)；圆形滚刀(5)通过U形销(17)固定在阶梯钻头体(4-3)前端的非圆截面轴段I(4-3-3)上。
6.根据权利要求5所述的一种坚硬岩体无炮掘进装置，其特征在于，所述非圆截面轴段I(4-3-3)上设有U形销插孔I(4-3-8)，钻头体(4-3)的过岩屑孔(4-3-12)加工在钻头体(4-3)的中部外圆柱段(4-3-1)上，非圆截面轴段I(4-3-3)与中部外圆柱段(4-3-1)之间设有非圆截面轴段II(4-3-4)，非圆截面轴段II(4-3-4)上加工对称通孔(4-3-5)，钻头体(4-3)中心通孔(4-3-6)上焊接有镐形截齿座(4-3-7)，钻头体(4-3)后部设有内花键槽I(4-3-9)和防尘圈槽(4-3-11)。
7.根据权利要求1或4所述的一种坚硬岩体无炮掘进装置，其特征在于，所述圆形滚刀(5)的合金滚刀头(5-2)镶嵌在圆形滚刀体(5-1)上，圆形滚刀体(5-1)内设有非圆形通孔(5-4)，圆形滚刀体(5-1)后部设有U形销插孔II(5-3)；所述合金滚刀头(5-2)材质为硬质合金，由粉末冶金方法整体压制成型。
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