CN110778324B - 一种集钻孔、探水、铣削为一体的硬岩巷道掘进方法 - Google Patents
一种集钻孔、探水、铣削为一体的硬岩巷道掘进方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种集钻孔、探水、铣削为一体的硬岩巷道掘进方法，在掘进工作面布置铣削掘进机，在铣削掘进机上安装活动机械臂，在活动机械臂前端安装一体式钻机；铣削掘进机铣削坚硬岩体之前，运用活动机械臂调整一体式钻机的空间位置和姿态，使其在坚硬岩体局部钻出数个长直深孔探水；确定无突水险情前提下，在岩体的长直深孔中装填适量的炸药进行深孔爆破，形成大直径深孔，以便于盘形滚刀深入岩体内一定深度；最后采用铣削掘进机对坚硬岩体进行铣削破碎。本发明在充分运用岩石抗拉强度低的理论基础上，采用盘形滚刀对坚硬岩体进行铣削破碎，破岩能力强、效率高，并具备超前探水功能。
Description
技术领域
本发明属于煤炭开采技术领域，涉及巷道岩体掘进技术，具体涉及一种集钻孔、探水、铣削为一体的硬岩巷道掘进方法。
背景技术
2018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23.2％和全球净增长的33.6％；煤炭资源消耗占消费总量的60.4％，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。随着我国对煤炭能源需求的不断增加，因岩巷掘进困难而导致采掘比例失调成为制约我国煤矿开采的主要原因。据不完全统计，我国煤矿平均每年新掘岩巷长达3000公里，由于受到地质条件、井下作业空间以及掘进装备适应性等因素制约，掘进速度不足100m/月，煤矿采掘比例严重失调。
目前的巷道掘进中，机械切削、冲击和冲击-切削是最常用的三种方式，但传统的机械切削刀具磨损严重，寿命低，因此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；冲击-切削复合破碎岩石虽然在一定程度上可以克服深层及复杂地层岩体高硬度、可钻性差等问题，但仍然存在机械工具失效严重等问题，造成机械破岩能力差。因此，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。
发明内容
本发明的目的是提供一种集钻孔、探水、铣削为一体的硬岩巷道掘进方法，充分利用坚硬岩体抗压不抗拉特性，采用盘形滚刀对坚硬岩体进行铣削破岩，具有破岩载荷小、性能高、效率高的特点，易于实现坚硬岩体的快速破碎，提高巷隧道掘进速度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种集钻孔、探水、铣削为一体的硬岩巷道掘进方法，采用的设备包括铣削掘进机、一体式钻机和活动机械臂，所述铣削掘进机包括履带行走机构、机架、旋转机构、滚刀臂、盘形滚刀、传动箱、底座、装载装置和输送装置，所述机架安装在所述履带行走机构的上方，所述机架上沿掘进机的行进方向设置有导轨II，所述底座安装在机架前部，所述传动箱安装在底座前端，所述旋转机构安装所述传动箱的前端并与传动箱之间可相对旋转运动，所述滚刀臂竖直伸入所述旋转机构中，并与旋转机构滑动连接，所述盘形滚刀安装在滚刀臂的一端，所述盘形滚刀的圆周方向上焊接有数个合金头，所述装载装置位于所述铣削掘进机的前端，所述输送装置安装在装载装置中间、机架下面；所述活动机械臂的一端通过导轨II滑动安装在铣削掘进机上，所述一体式钻机通过导轨I与所述活动机械臂的另一端滑动连接。
所述的掘进方法具体包括如下步骤：
第一步：钻孔与探水
对普氏硬度系数f>15的坚硬岩体进行巷隧道掘进时，首先调整所述铣削掘进机的位置，使导轨II处在巷道的中间位置，然后驱动所述活动机械臂，调整所述一体式钻机，使其对准要施工钻孔的位置，驱动所述活动机械臂在导轨II上滑动，使所述一体式钻机靠近待钻孔的坚硬岩体，接着驱动所述一体式钻机在导轨I上滑动，使其在坚硬岩体中钻进形成长直深孔，完成一个长直深孔后，退出所述一体式钻机，重新驱动所述活动机械臂和一体式钻机，进行下一个长直深孔的钻进，如此不断重复，直至数个长直深孔钻进完成，随后退回所述活动机械臂和一体式钻机，通过这数个长直深孔实现坚硬岩体内部的探水。
第二步：填药与局部破碎
第一步中确定无突水险情前提下，在所述数个长直深孔中装填适量的炸药，引爆炸药，坚硬岩体在炸药的作用下产生局部破碎，从而将所述数个长直深孔扩展为大直径深孔。
第三步：铣削与装运
调整所述铣削掘进机的位置，使铣削掘进机处于巷隧道中间位置，调整所述旋转机构和滚刀臂，使所述盘形滚刀对准所述大直径深孔，所述铣削掘进机向前运动，使所述盘形滚刀进入所述大直径深孔，然后同时调节所述旋转机构转动和所述滚刀臂移动，使盘形滚刀按照铣削路径铣削破碎坚硬岩体，不断重复以上过程，直至掘进深度达到大直径深孔深度，在铣削破岩的过程中通过所述掘进机的装载装置和输送装置将铣削的碎岩运输出巷隧道。
第四步：重复以上三个步骤，进行下一个阶段坚硬岩体的钻孔与探水-填药与局部破碎-铣削与装运的循环作业，直到巷道或隧道掘进完成。
进一步地，对于不同断面大小的巷隧道，第一步和第二步完全相同，只需在第三步中根据实际巷隧道断面的大小调整铣削路径即可。其优点为对巷隧道断面的适应性强。
为了使破碎坚硬岩体效果最佳，应合理设置长直深孔钻进的参数：
a.长直深孔深度L孔应满足L孔>(100～200)L铣，其中L铣为盘形滚刀一次铣削的深度，从而保证探水工作的顺利实施，并且可以实现一次钻孔，多次铣削，提高巷隧道掘进的效率；
b.长直深孔的个数n根据实际巷隧道断面大小进行调整，在条件允许的情况下，长直深孔的个数n越多，所需装填的炸药就越少，安全性能就越高。
为了增强合金头的硬度和耐磨性，所述合金头的材质为硬质合金，数个合金头在盘形滚刀的圆周方向上均匀分布。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明充分运用坚硬岩体抗拉强度低的特性，采用盘形滚刀对坚硬岩体进行铣削破岩，破岩载荷小、性能高、效率高；在盘形滚刀铣削破碎坚硬岩体之前，运用一体式钻机钻孔和炸药局部破碎，不仅可以使盘形滚刀快速下刀，而且还可以实施探水等工作，为盘形滚刀铣削破碎坚硬岩体提供相对安全的施工环境；盘形滚刀铣削坚硬岩体的路径可以根据所掘巷隧道截面的大小做出适当的调整，适应截面灵活性高；一次钻孔和扩孔，可以实现多次铣削，且铣削深度可以根据现场情况和实际需要随时调整，从而提高巷隧道掘进的效率，对实现坚硬岩石巷道高效掘进具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明一种集钻孔、探水、铣削为一体的硬岩巷道掘进方法示意图；
图2是本发明盘形滚刀铣削坚硬岩石原理示意图；
图3是本发明盘形滚刀铣削路径示意图；
图中：1—铣削掘进机；1-1—履带行走机构；1-2—机架；1-3—旋转机构；1-4—滚刀臂；1-5—盘形滚刀；1-5-1—合金头；1-6—传动箱；1-7—底座；1-8—装载装置；1-9—输送装置；；2—一体式钻机；3—活动机械臂；4—导轨I；5—导轨II；6—坚硬岩体；7—巷隧道；8—铣削路径；9—大直径深孔；10—长直深孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种集钻孔、探水、铣削为一体的硬岩巷道掘进方法，所涉及的设备主要包括铣削掘进机1、一体式钻机2和活动机械臂3；
所述铣削掘进机1包括履带行走机构1-1、机架1-2、旋转机构1-3、滚刀臂1-4、盘形滚刀1-5、传动箱1-6、底座1-7、装载装置1-8和输送装置1-9，所述机架1-2安装在所述履带行走机构1-1的上方，所述机架1-2上沿掘进机的行进方向设置有导轨II5，所述底座1-7安装在机架1-2前部，所述传动箱1-6安装在底座1-7前端，所述旋转机构1-3安装所述传动箱1-6的前端并与传动箱1-6之间可相对旋转运动，所述滚刀臂1-4竖直伸入所述旋转机构1-3中，并与旋转机构1-3滑动连接，所述盘形滚刀1-5安装在滚刀臂1-4的一端，所述盘形滚刀1-5的圆周方向上均匀焊接有数个合金头1-5-1，其材质为硬质合金，硬度高，耐磨性好，所述装载装置1-8位于所述机架1-2的前端，所述输送装置1-9安装在装载装置1-8中间、机架1-2下面，装载装置1-8和输送装置1-9用于将碎落的岩体输送出巷隧道7；
所述活动机械臂3的一端通过导轨II5滑动安装在铣削掘进机1上，所述一体式钻机2通过导轨I4与所述活动机械臂3的另一端滑动连接。
所述铣削掘进机1主要用于坚硬岩体的铣削破碎以及作为活动机械臂2的载体；活动机械臂3用于连接铣削掘进机1和一体式钻机2，并且可以用于实现一体式钻机2空间位置及姿态的调整；所述一体式钻机2主要用于在坚硬岩体上钻进出数个长直深孔10；其优点为通过活动机械臂3将一体式钻机2安装在铣削掘进机1上，可以实现钻孔铣削一体化，能够使本发明的一种集钻孔、探水、铣削为一体的硬岩巷道掘进方法快速实施。
所述铣削掘进机1铣削破碎坚硬岩体的原理图如图2所示，滚刀臂1-4在旋转机构1-3中移动与盘形滚刀1-5旋转共同作用而使合金头1-5-1在坚硬岩体6上切出矩形槽，随着合金头1-5-1切削坚硬岩体6的进一步深入，盘形滚刀1-5刀体将楔入矩形槽，从而将坚硬岩体6楔裂，实现盘形滚刀铣削破碎坚硬岩体。
所述掘进方法具体包括如下步骤：
第一步：钻孔与探水
对普氏硬度系数f>15的坚硬岩体6进行巷隧道掘进时，首先调整所述铣削掘进机1的位置，使导轨II5处在巷隧道7的中间位置，然后驱动所述活动机械臂3，调整所述一体式钻机2，使其对准要施工钻孔的位置，驱动所述活动机械臂3在导轨II5上滑动，使所述一体式钻机2靠近待钻孔的坚硬岩体6，接着驱动所述一体式钻机2在导轨I4上滑动，使其在坚硬岩体6中钻进形成长直深孔10，完成一个长直深孔10后，退出所述一体式钻机2，重新驱动所述活动机械臂3和一体式钻机2，进行下一个长直深孔10的钻进，如此不断重复，直至数个长直深孔10钻进完成，随后退回所述活动机械臂3和一体式钻机2，通过这数个长直深孔10实现坚硬岩体6内部的探水。
其优点为利用一体式钻机实现长直深孔的钻进，钻进效率高、能力强，精度高；在长直深孔钻进时，可以通过此数个长直深孔进行探水，排除下一步填药与局部破碎中存在的安全隐患。
第二步：填药与局部破碎
第一步中确定无突水险情前提下，在所述数个长直深孔10中装填适量的炸药，引爆炸药，坚硬岩体6在炸药的作用下产生局部破碎，从而将所述数个长直深孔10扩展为大直径深孔9。
其优点为在保证爆炸环境相对安全的情况下进行局部破碎，效率高、能力强，安全系数高；局部破碎所扩展出的大直径深孔可以使第三步盘形滚刀铣削坚硬岩体步骤中盘形滚刀快速下刀。
第三步：铣削与装运
调整所述铣削掘进机1的位置，使铣削掘进机1处于巷隧道7中间位置，调整所述旋转机构1-3和滚刀臂1-4，使所述盘形滚刀1-5对准所述大直径深孔9，所述铣削掘进机1向前运动，使所述盘形滚刀1-5进入所述大直径深孔9，然后同时调节所述旋转机构1-3转动和所述滚刀臂1-4移动，使盘形滚刀1-5按照图3所示铣削路径8铣削破碎坚硬岩体6，不断重复以上过程，直至掘进深度达到大直径深孔9深度，在铣削破岩的过程中通过所述掘进机1的装载装置1-8和输送装置1-9将铣削的碎岩运输出巷隧道7。
其优点为盘形滚刀铣削破碎坚硬岩体充分利用了坚硬岩体抗拉强度低的特性，破岩能力强、效率高、载荷小；盘形滚刀可以根据实际需要以及现场工况灵活调整每次铣削的深度。
第四步：在完成以上三个步骤后，即完成了一个阶段的巷隧道掘进，继续重复以上三个步骤，进行下一个阶段坚硬岩体的钻孔与探水-填药与局部破碎-铣削与装运的循环作业，直到巷道或隧道掘进完成。
对于不同断面大小的巷隧道，第一步和第二步完全相同，只需在第三步中根据实际巷隧道断面的大小调整铣削路径即可。其优点为对巷隧道断面的适应性强。
为了使破碎坚硬岩体效果最佳，应合理设置长直深孔10钻进的参数：
a.钻孔深度L孔应满足L孔>(100～200)L铣，其中L铣为盘形滚刀一次铣削的深度，从而保证探水工作的顺利实施，并且可以实现一次钻孔，多次铣削，提高巷隧道掘进的效率；
b.长直深孔10的个数n根据实际巷隧道7断面大小进行调整，在条件允许的情况下，长直深孔10的个数n越多，所需装填的炸药就越少，安全性能就越高。
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 (4)
1.一种集钻孔、探水、铣削为一体的硬岩巷道掘进方法，其特征在于，所涉及的设备主要包括铣削掘进机(1)、一体式钻机(2)和活动机械臂(3)；
所述铣削掘进机(1)包括履带行走机构(1-1)、机架(1-2)、旋转机构(1-3)、滚刀臂(1-4)、盘形滚刀(1-5)、传动箱(1-6)、底座(1-7)、装载装置(1-8)和输送装置(1-9)，所述机架(1-2)安装在所述履带行走机构(1-1)的上方，所述机架(1-2)上沿铣削掘进机(1)的行进方向设置有导轨II(5)，所述底座(1-7)安装在机架(1-2)前部，所述传动箱(1-6)安装在底座(1-7)前端，所述旋转机构(1-3)安装所述传动箱(1-6)的前端并与传动箱(1-6)之间可相对旋转运动，所述滚刀臂(1-4)竖直伸入所述旋转机构(1-3)中，并与旋转机构(1-3)滑动连接，所述盘形滚刀(1-5)安装在滚刀臂(1-4)的一端，所述盘形滚刀(1-5)的圆周方向上焊接有数个合金头(1-5-1)，所述装载装置(1-8)位于所述机架(1-2)的前端，所述输送装置(1-9)安装在装载装置(1-8)中间、机架(1-2)下面；所述活动机械臂(3)的一端通过导轨II(5)滑动安装在铣削掘进机(1)上，所述一体式钻机(2)通过导轨I(4)与所述活动机械臂(3)的另一端滑动连接；
所述的掘进方法具体包括如下步骤：
第一步：钻孔与探水
对普氏硬度系数f>15的坚硬岩体(6)进行巷隧道掘进时，首先调整所述铣削掘进机(1)的位置，使导轨II(5)处在巷隧道(7)的中间位置，然后驱动所述活动机械臂(3)，调整所述一体式钻机(2)，使其对准要施工钻孔的位置，驱动所述活动机械臂(3)在导轨II(5)上滑动，使所述一体式钻机(2)靠近待钻孔的坚硬岩体(6)，接着驱动所述一体式钻机(2)在导轨I(4)上滑动，使其在坚硬岩体(6)中钻进形成长直深孔(10)，完成一个长直深孔(10)后，退出所述一体式钻机(2)，重新驱动所述活动机械臂(3)和一体式钻机(2)，进行下一个长直深孔(10)的钻进，如此不断重复，直至数个长直深孔(10)钻进完成，随后退回所述活动机械臂(3)和一体式钻机(2)，通过这数个长直深孔(10)实现坚硬岩体(6)内部的探水；
第二步：填药与局部破碎
第一步中确定无突水险情前提下，在所述数个长直深孔(10)中装填适量的炸药，引爆炸药，坚硬岩体(6)在炸药的作用下产生局部破碎，从而将所述数个长直深孔(10)扩展为大直径深孔(9)；
第三步：铣削与装运
调整所述铣削掘进机(1)的位置，使铣削掘进机(1)处于巷隧道(7)中间位置，调整所述旋转机构(1-3)和滚刀臂(1-4)，使所述盘形滚刀(1-5)对准所述大直径深孔(9)，所述铣削掘进机(1)向前运动，使所述盘形滚刀(1-5)进入所述大直径深孔(9)，然后同时调节所述旋转机构(1-3)转动和所述滚刀臂(1-4)移动，使盘形滚刀(1-5)按照铣削路径(8)铣削破碎坚硬岩体(6)，不断重复以上过程，直至掘进深度达到大直径深孔(9)深度，在铣削破岩的过程中通过所述铣削掘进机(1)的装载装置(1-8)和输送装置(1-9)将铣削的碎岩运输出巷隧道(7)；
第四步：重复以上三个步骤，进行下一个阶段坚硬岩体的钻孔与探水-填药与局部破碎-铣削与装运的循环作业，直到巷道或隧道掘进完成。
2.根据权利要求书1中所述的一种集钻孔、探水、铣削为一体的硬岩巷道掘进方法，其特征在于：第三步中，所述铣削路径根据实际巷隧道(7)断面的大小进行调整。
3.根据权利要求书1或2中所述的一种集钻孔、探水、铣削为一体的硬岩巷道掘进方法，其特征在于：所述长直深孔(10)的深度L孔满足：L孔>(100～200)L铣，其中L铣为盘形滚刀(1-5)一次铣削的深度；长直深孔(10)的个数n根据实际巷隧道(7)断面大小进行调整。
4.根据权利要求书1或2中所述的一种集钻孔、探水、铣削为一体的硬岩巷道掘进方法，其特征在于：所述合金头(1-5-1)的材质为硬质合金，数个合金头(1-5-1)在盘形滚刀(1-5)的圆周方向上均匀分布。
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