CN109372514A - 基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高压脉冲放电‑机械联合破岩的新型竖井钻机，解决的是竖井开挖中采用传统的机械破碎工作方式掘进速度异常缓慢，刀具损坏几率大。本发明包括竖井钻机主机，竖井钻机主机上设有刀盘刀具系统，所述的刀盘刀具系统上设有电极。本发明高压脉冲放电控制系统的电极与滚刀等其他机械刀具耦合作用，提高破岩效率，减小刀具磨损。
Description
技术领域
本发明涉及全断面竖井钻机领域，具体涉及一种提高破岩效率，减小刀具磨损的基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机。
背景技术
全断面竖井钻机根据类似于TBM和盾构机的全断面开挖原理，主要利用旋转刀盘上的滚刀挤压剪切破岩实现竖井开挖的目的。然而，这种机械破碎工作方式的掘进效率常受到岩石硬度等外在因素影响，尤其在极端条件下，不仅掘进速度异常缓慢，刀具损坏几率也大幅提高，给业主和施工方带来巨额经济损失。高压脉冲放电破岩法通过电极之间的高压电弧放电实现破岩，且可通过调整电极间距和输入电量等参数控制岩石破碎体积和掘进速度，相比于传统破岩方法，它具有破岩效率高、破岩功率低、破岩能耗小、无环境污染等优点，在岩石破碎领域中有着广阔的应用前景。有关研究结果表明采用该技术即便在高硬度的花岗岩或玄武岩等地质条件下钻探速度也可高达12-30米/小时，且噪音和振动水平极低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是竖井开挖中采用传统的机械破碎工作方式掘进速度异常缓慢，刀具损坏几率大，提供一种基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机，包括竖井钻机主机，竖井钻机主机上设有刀盘刀具系统，所述的刀盘刀具系统上设有电极。
所述的电极为电极材料制作而成的电极刮刀。
所述的刀盘刀具系统包括刀盘和滚刀，滚刀和电极刮刀均设置在刀盘上。
所述的电极与高压脉冲电弧控制系统相连。
所述的高压脉冲放电系统还包括高压脉冲电弧控制器，高压脉冲电弧控制器与高压配电站连接；所述的电极与高压配电站连接，高压配电站与高压变压器连接。
所述与电极相连设有转子电缆，转子电缆通过电滑环与定子电缆连接。
所述的竖井内设有放电介质。放电介质充填在竖井井底，放电介质要淹没电极。
与竖井井底空间相连通设有出渣系统。
一种基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机的施工方法，包括以下步骤：①竖井钻机在掘进过程中，将放电介质充入竖井底部，刀盘刀具系统在主驱动系统的驱动下进行旋转；
②刀盘刀具系统旋转时，高压脉冲电弧控制器根据破岩需要控制放电回路使电极进行放电，在放电介质内形成高压脉冲电弧，对岩石进性破坏。
步骤②所述的高压脉冲电弧控制器使电极进行放电时，刀盘旋转，滚刀和电极刮刀共同作用于井底掌子面，对岩石进行滚压和刮削。
本发明设计了兼具高压脉冲放电和刮削能力的新型电极刮刀；高压脉冲放电控制系统主要由高压脉冲电弧控制器、电能储存装置（充电回路中的储能电容）、电极刮刀、高压变电器、放电介质等组成，可通过放电对岩石产生破坏，如产生裂纹、粉尘、剥落等；高压脉冲放电控制系统的电极与滚刀等其他机械刀具耦合作用，提高破岩效率，减小刀具磨损。
附图说明
图1是本发明下部结构示意图；
图2是本发明局部放大结构示意图；
图3是本发明刀盘结构示意图；
图4是本发明刀盘上滚刀、电极刮刀与岩石接触状态结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-4所示，一种基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机，包括竖井钻机主机，竖井钻机主机上设有刀盘刀具系统1，所述的刀盘刀具系统1上设有电极14。
所述的电极14为电极材料制作而成的电极刮刀。电极14是由金属电极材料制成的、外形类似于目前全断面隧道掘进机上常用刮刀的放电电极，电极14既具有放电功能，又具有刮渣能力。
所述的刀盘刀具系统1包括刀盘15和滚刀13，滚刀13和电极刮刀均设置在刀盘15上。滚刀13为目前全断面隧道掘进机上常用的盘形滚刀结构。破岩过程中电极与滚刀直接与岩石26接触
所述的电极14与高压脉冲电弧控制系统相连。
所述的高压脉冲放电系统还包括高压脉冲电弧控制器14，高压脉冲电弧控制器14与高压配电站15连接；所述的电极21与高压配电站15连接，高压配电站15与高压变压器16连接。本发明高压脉冲放电系统包括充电回路、放电回路和控制回路，电极属于放电回路的一部分，工作时控制电路控制充电储能的能量大小，之后由放电回路通过电极释放电能，形成电弧破碎岩石。高压脉冲电弧控制器11主要控制脉冲放电系统的储能电容的充、放电回路的时长及频率等参数；配电站15主要为脉冲放电系统的储能电容、主驱动等提供电能；高压变压器12主要是将外界接入的电压升高为脉冲放电系统所需的超高电压以及掘进机其他电路所需电压。本发明所述的高压指的是电压为50-500kV范围内的电压。
所述与电极14相连设有转子电缆2，转子电缆2通过电滑环3与定子电缆4连接。定子电缆4与高压脉冲电弧控制器11相连。
所述的竖井内设有放电介质51。通过介质输送管路5将放电介质51注入竖井井底，以保证正负电极可以形成高压脉冲放电。本发明刀盘刀具系统1的竖井井底上部充满放电介质51，放电介质51主要为绝缘放电材料，如水、煤油、变压器油或其他复合材料等；本发明采用放电介质进行脉冲放电破岩，放电介质在重力作用下始终处在竖井井底，通过出渣系统控制井底泥浆的存量，防止泥浆过多流入竖井钻井主机内。本发明还包括刀盘撑靴6、换步系统9和主梁10，刀盘撑靴6在刀盘旋转时伸出，作用于井壁以抵消刀盘旋转产生的反扭矩，增加系统强度和韧性；换步系统9通过控制连接主梁10的油缸伸缩实现整机位移。
与竖井井底空间相连通设有出渣系统7。本发明高压脉冲放电破岩产生的泥水渣土存放在竖井井底空间内，泥水渣土混入放电介质内，但不影响电极放电，，当密封仓内泥水渣土达到一定液位时，通过调节出渣系统7的出渣量调节放电介质51的液位。
一种基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机的施工方法，包括以下步骤：①竖井钻机在掘进过程中，将放电介质充入竖井底部，刀盘刀具系统在主驱动系统8的驱动下进行旋转；钻井井底的放电介质的注入量要足够多，要能淹没刮刀电极；
②刀盘刀具系统旋转时，高压脉冲电弧控制器根据破岩需要控制放电回路使电极进行放电，在放电介质内形成高压脉冲电弧，对岩石进性破坏。
步骤②所述的高压脉冲电弧控制器使电极进行放电时，刀盘旋转，滚刀和电极刮刀共同作用于井底掌子面，对岩石进行滚压和刮削。形成高压脉冲电弧击穿与滚刀、电极刮刀等多种形式耦合破岩的效果，提升破岩效率，降低刀具磨损，加快施工进程。
Claims (10)
1.一种基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机，包括竖井钻机主机，竖井钻机主机上设有刀盘刀具系统（1），其特征在于，所述的刀盘刀具系统（1）上设有电极（14）。
2.根据权利要求1所述的高基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机，其特征在于：所述的电极（14）为电极材料制作而成的电极刮刀。
3.根据权利要求2所述的基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机，其特征在于：所述的刀盘刀具系统（1）包括刀盘（15）和滚刀（13），滚刀（13）和电极刮刀均设置在刀盘（15）上。
4.根据权利要求1或2所述的基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机，其特征在于：所述的电极（14）与高压脉冲电弧控制系统相连。
5.根据权利要求4所述的基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机，其特征在于：所述的高压脉冲放电系统还包括高压脉冲电弧控制器（14），高压脉冲电弧控制器（14）与高压配电站（15）连接；所述的电极（21）与高压配电站（15）连接，高压配电站（15）与高压变压器（16）连接。
6.根据权利要求5所述的基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机，其特征在于：所述与电极（14）相连设有转子电缆（2），转子电缆（2）通过电滑环（3）与定子电缆（4）连接。
7.根据权利要求1所述的基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机，其特征在于：所述的竖井内设有放电介质（51）。
8.根据权利要求7所述的基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机，其特征在于：与竖井井底空间相连通设有出渣系统（7）。
9.一种基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：①竖井钻机在掘进过程中，将放电介质充入竖井底部，刀盘刀具系统在主驱动系统（8）的驱动下进行旋转；
②刀盘刀具系统旋转时，高压脉冲电弧控制器根据破岩需要控制放电回路使电极进行放电，在放电介质内形成高压脉冲电弧，对岩石进性破坏。
10.根据权利要求9所述的基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型竖井钻机的施工方法，其特征在于：步骤②所述的高压脉冲电弧控制器使电极进行放电时，刀盘旋转，滚刀和电极刮刀共同作用于井底掌子面，对岩石进行滚压和刮削。
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