CN110644999B - 一种大断面竖井掘进机及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大断面竖井掘进机，包括井下主机、一级垂直输送机和二级垂直输送机，一级垂直输送机与井下主机固定连接以随井下主机同步步进，且穿过刀盘伸入先导洞内，二级垂直输送机的底端与一级垂直输送机的顶端配合以承接一级垂直输送机上的物料，二级垂直输送机的顶端固定于地面上，且二级垂直输送机的长度可延长。本发明还公开了一种大断面竖井掘进机的施工方法，包括步骤：打超过成井深度的先导洞；将一级垂直输送机的底端伸入先导洞内；主驱动装置带动刀盘旋转进行掘进，渣土先后经由一级垂直输送机和二级垂直输送机运送到地面。采用该大断面竖井掘进机及其施工方法，可以挖掘大断面竖井，机械化程度高，避免人员下井施工产生的风险。

Description

一种大断面竖井掘进机及其施工方法

技术领域

本发明涉及竖井钻机技术领域，更具体地说，涉及一种超大断面竖井掘进机及其施工方法。

背景技术

煤矿、金属及非金属矿山、抽水蓄能水电站、地铁机铁路隧道等地下工程中，需大量竖井工程施工。目前广泛采用的是以钻眼爆破为基础的普通法凿井技术，需大量人员井下作业，工作强度大、安全性差，机械化钻井技术机钻井法是未来发展方向。

钻井法凿井是利用竖井钻机等设备钻凿井筒的方法，该法的优势在于工作人员不需要下井作业，主要作业在地面进行，钻进原理是利用钻机的钻杆带动钻头旋转钻进、滚刀破岩，利用泥浆临时支护井壁，并利用压气反循环方式排出开挖岩渣。

全断面开挖法是指按设计开挖面一次开挖成型，其可以减少开挖对围岩的反复扰动，有利于保护围岩的天然承载力且施工方便。然而，对于大断面竖井全断面开挖并没有适用的机械设备。

综上所述，如何有效地解决大断面竖井全断面开挖难以实现等问题，是目前本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种大断面竖井掘进机，该大断面竖井掘进机的结构设计可以有效地解决大断面竖井全断面开挖难以实现的问题，本发明的第二个目的是提供一种上述大断面竖井掘进机的施工方法。

为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：

一种大断面竖井掘进机，包括井下主机和用于出渣的一级垂直输送机和二级垂直输送机，所述井下主机包括刀盘和用于驱动所述刀盘旋转的主驱动装置，所述一级垂直输送机与所述井下主机固定连接以随所述井下主机同步步进，且穿过所述刀盘伸入先导洞内，所述二级垂直输送机的底端与所述一级垂直输送机的顶端配合以承接所述一级垂直输送机上的物料，所述二级垂直输送机的顶端固定于地面上，且所述二级垂直输送机的长度可延长。

优选地，上述大断面竖井掘进机中，所述一级垂直输送机的顶端具有落料区域，所述二级垂直输送机的底端具有接料区域，且所述接料区域位于所述落料区域的下方。

优选地，上述大断面竖井掘进机中，所述二级垂直输送机包括位于井下的第一水平段和位于地面的第二水平段，所述第一水平段与所述第二水平段之间连接有竖直段，所述第一水平段为所述接料区域。

优选地，上述大断面竖井掘进机中，所述竖直段的长度可延长。

优选地，上述大断面竖井掘进机中，所述一级垂直输送机为一级垂直皮带机，所述二级垂直输送机为二级垂直皮带机。

优选地，上述大断面竖井掘进机中，还包括储带仓，所述二级垂直皮带机的备用延长带储存于所述储带仓内。

优选地，上述大断面竖井掘进机中，所述刀盘为锥形刀盘，且所述刀盘上设置有用于将渣土导向至所述一级垂直输送机内的刮渣板。

优选地，上述大断面竖井掘进机中，所述井下主机包括支撑环，所述支撑环上至少相对的两侧固定连接有撑紧伸缩缸，所述支撑环上固定有推进伸缩缸，所述推进伸缩缸的活动端与所述刀盘连接。

优选地，上述大断面竖井掘进机中，还包括与所述井下主机固定连接的钢绞线及用于支撑所述钢绞线以吊运所述井下主机的钢绞线支撑装置。

本发明提供的大断面竖井掘进机包括井下主机、一级垂直输送机和二级垂直输送机。其中，井下主机包括刀盘和用于驱动刀盘旋转的主驱动装置。一级垂直输送机与井下主机固定连接以随井下主机同步步进，且穿过刀盘伸入先导洞内，二级垂直输送机的底端与一级垂直输送机的顶端配合以承接一级垂直输送机上的物料，二级垂直输送机的顶端固定于地面上，且二级垂直输送机的长度可延长。

应用本发明提供的大断面竖井掘进机，工作时，先打超过成井深度的先导洞；再将一级垂直输送机的底端伸入先导洞内；而后主驱动装置带动刀盘旋转进行掘进，渣土先后经由一级垂直输送机和二级垂直输送机运送到地面；掘进预设距离后，延长二级垂直输送机的长度，并继续进行掘进，直至掘进到成井深度。综上，采用该大断面竖井掘进机，通过一级垂直输送机和二级垂直输送机配合的方式进行出渣，满足了大断面竖井的出渣需求，进而能够实现大断面竖井的全断面施工，提高施工的机械化程度，避免人员井下是公共产生的风险。

为了达到上述第二个目的，本发明还提供了一种大断面竖井掘进机的施工方法，该施工方法采用上述任一种大断面竖井掘进机，包括步骤：

S1：打超过成井深度的先导洞；

S2：将所述一级垂直输送机的底端伸入所述先导洞内；

S3：所述主驱动装置带动所述刀盘旋转进行掘进，渣土先后经由一级垂直输送机和所述二级垂直输送机运送到地面；

S4：掘进预设距离后，延长所述二级垂直输送机的长度，并返回步骤S3，直至掘进到成井深度。

采用该大断面竖井掘进机的施工方法，可以挖掘大断面竖井，机械化程度高，避免人员下井施工产生的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个具体实施例的大断面竖井掘进机的结构示意图；

图2为图1的俯视图。

附图中标记如下：

1、先导洞，2、竖井待开挖土体，3、一级垂直皮带机，4、刀盘，5、撑紧伸缩缸，6、钢管环，7、二级垂直皮带机，8、钢管片，9、储带仓，10、支撑架，11、钢绞线支撑装置，12、推进伸缩缸，13、主驱动装置，14、管片吊运装置。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种大断面竖井掘进机，以实现大断面竖井全断面施工。

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做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。

请参阅图1-图2，图1为本发明一个具体实施例的大断面竖井掘进机的结构示意图；图2为图1的俯视图。

在一个具体实施例中，本发明提供的大断面竖井掘进机包括井下主机、一级垂直输送机和二级垂直输送机。

其中，井下主机包括刀盘4和用于驱动刀盘4旋转的主驱动装置13。刀盘4优选为锥形刀盘。刀盘4上设置有用于将渣土导向至一级垂直输送机内的刮渣板。主驱动装置13带动刀盘4旋转，进而刀盘4掘进过程中产生的渣土进入一级垂直输送机。井下主机的其他结构请参考常规的竖井掘进机的相关设置，此处不再赘述。井下驱动装置为刀盘4掘进提供破岩扭矩，具体可以包括电机，根据需要也可以包括与电机输出端连接的减速机，也就是电机输出的扭矩经减速机作用后作用于刀盘4。

一级垂直输送机与井下主机固定连接以随井下主机同步步进，且穿过刀盘4伸入先导洞1内。一级垂直输送机用于接渣，掘进产生的渣土进入一级垂直输送机。

二级垂直输送机的底端与一级垂直输送机的顶端配合以承接一级垂直输送机上的物料，二级垂直输送机的顶端固定于地面上。通过一级垂直输送机的运送，将渣土运出。渣土运输至一级垂直皮带机3的顶端时掉落，落入二级垂直输送机的底端，而后经由二级垂直输送机将渣土运送至地面。

二级垂直输送机的长度可延长，进而随着掘进深度的增加，二级垂直输送机的长度延长，以满足将渣土运送至地面的需求。通过将一级垂直输送机与井下主机固定连接，便于发生故障时拆卸与维修。同时，一级垂直输送机随井下主机运动，通过二级垂直输送机的延长来满足不断向下掘进的需求。

通过一级垂直输送机与二级垂直输送机配合，且一级垂直输送机与井下主机固定连接，随井下主机一起掘进。由于一级垂直输送机固定于主机上，在发生故障时，便于拆卸与维修。且一级垂直输送机无需设置延长结构，整体结构较为简单，降低了其井下故障发生率。

由于随着掘进的进行，井下主机的高度逐渐下降，因而需要二级垂直输送机的延长来满足不断向下掘进的需求。具体在掘进机推进一段距离后，延长二级垂直皮带的长度。

应用本发明提供的大断面竖井掘进机，工作时，先打超过成井深度的先导洞1；再将一级垂直输送机的底端伸入先导洞1内；而后主驱动装置13带动刀盘4旋转进行掘进，渣土先后经由一级垂直输送机和二级垂直输送机运送到地面；掘进预设距离后，延长二级垂直输送机的长度，并继续进行掘进，直至掘进到成井深度。综上，采用该大断面竖井掘进机，通过一级垂直输送机和二级垂直输送机配合的方式进行出渣，满足了大断面竖井的出渣需求，进而能够实现大断面竖井的全断面施工，提高施工的机械化程度，避免人员井下是公共产生的风险。且采用分段式结构，并将一级垂直输送机固定于主机上，在发生故障时，便于拆卸与维修。

进一步地，一级垂直输送机的顶端具有落料区域，二级垂直输送机的底端具有接料区域，且接料区域位于落料区域的下方。也就是通过将二级垂直输送机底端的接料区域设置于一级垂直输送机顶端的落料区域下方，渣土随一级垂直输送机运输至顶端时，由于自身重力作用，自然下落至二级垂直输送机上，以随二级垂直输送机被运出。如此设置，无需设置转运驱动装置，且一级垂直输送机与二级垂直输送机配合结构简单。

具体的，二级垂直输送机包括位于井下的第一水平段和位于地面的第二水平段，第一水平段与第二水平段之间连接有竖直段，第一水平段为接料区域。也就是通过第一水平段承接一级垂直输送机下落的渣土，再经由竖直段向上输送，输送至第二水平段即将渣土运至地面。通过第一水平段的设置，便于二级垂直输送机与一级垂直输送机配合。

进一步地，竖直段的长度可延长。也就是二级垂直输送机的延长段为竖直段，进而提高了二级垂直输送机延伸的稳定性。当然，根据需要，也可以将第二水平段的长度延长，并通过输送运动使得竖直长度增大，以满足掘进需求。具体二级垂直输送机的延长方式可以通过在二级垂直输送机的中间补充输送结构，或者将输送结构设置为可伸缩等，具体请参考现有技术中常规输送机延长操作，此处不再赘述。

在上述各实施例中，一级垂直输送机为一级垂直皮带机3，二级垂直输送机为二级垂直皮带机7。也就是一级垂直输送机与二级垂直输送机均采用垂直皮带机。垂直皮带机能够有效实现对渣土的运输，且结构简单，延长方便。采用垂直皮带机，一级垂直皮带机3与二级垂直皮带机7的配合也较为简单

进一步地，还包括储带仓9，二级垂直皮带机7的备用延长带储存于储带仓9内。在二级垂直皮带机7不需要延长时，将备用延长带储存在储带仓9内。在掘进机推进一段距离后，延长二级垂直皮带机7的皮带长度，则由储带仓9内取出需要长度的备用皮带以延长。通过储带仓9的设置，对备用皮带起到良好收纳防护作用。具体的，地面上设置用于支撑二级垂直皮带机7的支撑架10，二级垂直皮带机7固定于支撑架10上，储带仓9可以设置于支撑架10的下方。

在上述各实施例的基础上，刀盘4为锥形刀盘，且锥形刀盘上设置有用于将渣土导向至一级垂直输送机内的刮渣板。进而渣土通过锥形刀盘和刮渣板进入一级垂直输送机的起始端。通过刮渣板的设置，能够为渣土导向，使其更好的进入一级垂直输送机，进而经由一级垂直送机及二级垂直输送机的作用运送到地面。

在上述各实施例的基础上，井下主机包括支撑环，支撑环外侧固定连接有至少两个撑紧伸缩缸5，各撑紧伸缩缸5沿支撑环的周向均布，且沿所述支撑环的径向延伸设置。支撑环上固定有推进伸缩缸12，推进伸缩缸12的活动端与刀盘4连接。具体的，支撑环内可以固定连接支座，推进伸缩缸12与支座固定连接，也就是推进伸缩缸12通过支座与支撑环间接固定连接。支撑环具体可以为钢管环6。则推进时可包括以下步骤：步骤一，撑紧伸缩缸5伸出撑紧井壁（类似TBM撑靴），提供推进反力；步骤二、推进伸缩缸12一端与支撑环连接，具体可以与支撑环上的支座连接，另一端与刀盘4连接，具体可以与主驱动装置13上的支座连接，主驱动装置13与支撑环可以相对运动，推进伸缩缸12伸出时，主驱动装置13带动刀盘4向下掘进；步骤三、推进一段距离后，推进伸缩缸12缩回，带动主驱动装置13及刀盘4回退到初始位置；步骤四、撑紧伸缩缸5缩回；重复前述步骤，实现超大断面竖井掘进机连续掘进。具体的，推进伸缩缸12可以为推进油缸，根据需要，也可以采用推进气缸等。撑紧伸缩缸5可以为撑紧油缸，根据需要，也可以采用撑紧气缸等。具体大断面竖井掘进机的推进伸缩缸12、主驱动装置13与撑紧伸缩缸5的连接关系等也可参考现有技术中竖井掘进机的结构设置。

通过分别调整各撑紧伸缩缸5的伸长量可以对竖井掘进机进行纠偏。具体的，可以设置12组撑紧伸缩缸5。

进一步地，还包括与井下主机固定连接的钢绞线及用于支撑钢绞线以吊运井下主机的钢绞线支撑装置11。通过钢绞线一方面能够在安装、掘进时托住掘进机，抵消一部分重力，对井下主机起到一定的提吊作用，以便于其更好的掘进。具体的，掘进机推进过程中，推进一段距离后，推进伸缩缸12缩回，带动主驱动装置13及刀盘4回退到初始位置，而后撑紧伸缩缸5缩回，钢绞线支撑装置11使钢绞线张紧，拉紧井下主机并往下放。完成一次步进后，再从撑紧伸缩缸5伸出撑紧井壁开始重复下一轮步进，以完成掘进。

在上述各实施例中，具体可以包括管片吊运装置14，则掘进过程中，撑紧伸缩缸5撑紧井壁，推进伸缩缸12为刀盘4掘进提供推力，主驱动装置13为刀盘4掘进提供破岩扭矩，一级垂直输送机跟随大断面竖井掘进机的刀盘4伸入先导洞1，刀盘4开挖后的渣土通过锥形刀盘4和刮渣板落入一级垂直输送机，再通过二级垂输送机运送到洞外。通过管片吊运装置14将钢管片8吊运至待拼装区域，两块钢管片8间采用螺栓连接和焊接的形式固定。重复上述步骤掘到预期的成井深度后，可将分块的刀盘4、撑紧伸缩缸5、一级垂直输送机、二级垂直输送机吊出，向钢管片8与井壁的间隙注浆，形成永久支护。实现了开挖、出渣、支护同步进行。

基于上述实施例中提供的大断面竖井掘进机，本发明还提供了一种大断面竖井掘进机的施工方法，采用上述实施例中任一种大断面竖井掘进机，包括以下步骤：

S1：打超过成井深度的先导洞1；

S2：将一级垂直输送机的底端伸入先导洞1内；

S3：主驱动装置13带动刀盘4旋转进行掘进，渣土先后经由一级垂直输送机和二级垂直输送机运送到地面；

S4：掘进预设距离后，延长二级垂直输送机的长度，并返回步骤S3，直至掘进到成井深度。

上述大断面竖井掘进机的施工方法，可以挖掘大断面竖井，机械化程度高，避免人员下井施工产生的风险。

以一个优选的实施方式，上述大断面竖井掘进机的施工方法，包括以下步骤：

S11：钻机先打超过成井深度的先导洞1；

S12：以先导洞1为中心，组装大断面竖井掘进机；

S13：撑紧伸缩缸5撑紧井壁，推进伸缩缸12为刀盘4掘进提供推力，主驱动电机为刀盘4掘进提供破岩扭矩；

S14：一级垂直输送机跟随大断面竖井掘进机的刀盘4伸入先导洞1，刀盘4开挖后的渣土通过锥形刀盘4和刮渣板落入一级垂直输送机，再通过位于钢管环6上方的二级垂直输送机运送到洞外；

S15：管片吊运装置14将钢管片8吊运至待拼装区域，两块钢管片8间采用螺栓连接和焊接的形式固定；

通过重复步骤S13至S15，竖井掘进机挖掘到预期的成井深度，将分块的刀盘4、撑紧伸缩缸5、一级垂直输送机、二级垂直输送机吊出，向钢管片8与井壁的间隙注浆，形成永久支护。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种大断面竖井掘进机，其特征在于，包括井下主机和用于出渣的一级垂直输送机和二级垂直输送机，所述井下主机包括刀盘和用于驱动所述刀盘旋转的主驱动装置，所述一级垂直输送机与所述井下主机固定连接以随所述井下主机同步步进，且穿过所述刀盘伸入先导洞内，所述二级垂直输送机的底端与所述一级垂直输送机的顶端配合以承接所述一级垂直输送机上的物料，所述二级垂直输送机的顶端固定于地面上，且所述二级垂直输送机的长度可延长。

2.根据权利要求1所述的大断面竖井掘进机，其特征在于，所述一级垂直输送机的顶端具有落料区域，所述二级垂直输送机的底端具有接料区域，且所述接料区域位于所述落料区域的下方。

3.根据权利要求2所述的大断面竖井掘进机，其特征在于，所述二级垂直输送机包括位于井下的第一水平段和位于地面的第二水平段，所述第一水平段与所述第二水平段之间连接有竖直段，所述第一水平段为所述接料区域。

4.根据权利要求3所述的大断面竖井掘进机，其特征在于，所述竖直段的长度可延长。

5.根据权利要求1所述的大断面竖井掘进机，其特征在于，所述一级垂直输送机为一级垂直皮带机，所述二级垂直输送机为二级垂直皮带机。

6.根据权利要求5所述的大断面竖井掘进机，其特征在于，还包括储带仓，所述二级垂直皮带机的备用延长带储存于所述储带仓内。

7.根据权利要求1-6任一项所述的大断面竖井掘进机，其特征在于，所述刀盘为锥形刀盘，且所述刀盘上设置有用于将渣土导向至所述一级垂直输送机内的刮渣板。

8.根据权利要求1-6任一项所述的大断面竖井掘进机，其特征在于，所述井下主机包括支撑环，所述支撑环的外侧固定连接有至少两个撑紧伸缩缸，各所述撑紧伸缩缸沿所述支撑环的周向均布，且沿所述支撑环的径向延伸设置，所述支撑环上固定有推进伸缩缸，所述推进伸缩缸的活动端与所述刀盘连接。

9.根据权利要求1-6任一项所述的大断面竖井掘进机，其特征在于，还包括与所述井下主机固定连接的钢绞线及用于支撑所述钢绞线以吊运所述井下主机的钢绞线支撑装置。

10.一种大断面竖井掘进机的施工方法，采用权利要求1-9任一项所述的大断面竖井掘进机，其特征在于，包括步骤：

S1：打超过成井深度的先导洞；

S2：将所述一级垂直输送机的底端伸入所述先导洞内；

S3：所述主驱动装置带动所述刀盘旋转进行掘进，渣土先后经由一级垂直输送机和所述二级垂直输送机运送到地面；

S4：掘进预设距离后，延长所述二级垂直输送机的长度，并返回步骤S3，直至掘进到成井深度。

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