CN111577308B - 一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构，包括先导钻孔和扩张共享动力轴、依次设置在先导钻孔和扩张共享动力轴的连续扩孔末圆盘、岩块二次破碎板、连续扩孔前圆盘、岩块防卡滚筒、开切口过料圆盘以及安装在开切口过料圆盘上的先导扩孔镶齿滚刀头、先导牙轮钻头，解决了超硬岩地质破岩机构严重磨损、破岩效率低、粉尘量大等系列问题，并且不受地质环境的影响，能够在任何地质条件下进行岩体掘进施工，对实现坚硬及超坚硬岩石的破碎具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及全地质岩体掘进领域装备，具体涉及一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构，尤其适用于超硬岩地质掘进施工。
背景技术
能源工业是国民经济的基础产业，也是技术密集型产业。“安全、高效、低碳”集中体现了现代能源技术的特点，也是抢占未来能源技术制高点的主要方向。《国家能源科技“十二五”规划》要求以增强自主创新能力为着力点，用无限的科技解决有限能源与资源的约束，着力提高能源资源的安全、高效开发，推动能源生产和利用方式的变革，规划将能源勘探和开采技术作为四个重点发展领域之一，明确要求研发复杂地质条件下资源安全、高效、节约、环境友好型开采技术与装备，如研制适用于岩石抗压强度200MPa的掘进机，高效井下动力与破岩系统等。随着各类岩石开挖机械在矿山开采、隧道掘进、油气井钻进等实际工程中的广泛应用，对坚硬岩石破碎技术提出了更高的要求和新的挑战。机械破岩具有破碎块度大、作业效率高等优点，其已被广泛运用于矿山开采、建筑工程及资源勘探等领域。然而，现有装备在坚硬岩体掘进施工中，刀具磨损加大，可靠性和工作效率降低，如何实现硬岩的高效破碎已经成为亟待解决的问题和难题，亟需研究新的岩石破碎方法实现坚硬岩石的高效破碎，对实现矿山高效开采、隧道高效掘进乃至我国能源资源的高效开发具有极其重要的意义；以往主要通过增大机械驱动功率实现机械破碎坚硬岩石，但机械刀具破岩能力没有发生改变，仅增大功率会导致岩石破碎机构的磨损加剧、工作面粉尘量增大，难以有效提升机械的破岩效率，且安全隐患增大。
发明内容
为全面解决上述问题，尤其是针对现有技术所存在的不足，本发明提供了一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构。
为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构，包括先导钻孔和扩张共享动力轴、依次设置在先导钻孔和扩张共享动力轴上的连续扩孔末圆盘、岩块二次破碎板、连续扩孔前圆盘、岩块防卡滚筒、开切口过料圆盘以及安装在开切口过料圆盘上的先导扩孔镶齿滚刀头、先导牙轮钻头，所述连续扩孔前圆盘与连续扩孔末圆盘之间连接有若干个均布的连续扩孔支撑弧形板，所述连续扩孔支撑弧形板上设置有若干交替均布的碟形滚刀、岩石形状超前检测传感器，每个岩石形状超前检测传感器旁分别设置有一个水力割缝喷嘴，所述连续扩孔末圆盘上设置有数据采集分析与控制系统、电磁阀、振动发储电系统以及若干过料口，所述先导钻孔和扩张共享动力轴内设置有能够作为高能钻地弹的发射通道的中心共享通道，所述岩石形状超前检测传感器、电磁阀、振动发储电系统与数据采集分析与控制系统之间电连接。
所述先导牙轮钻头和先导扩孔镶齿滚刀头用于在岩体上形成先导孔为后续连续扩孔提供自由面，同回转半径安装在连续扩孔支撑弧形板上的岩石形状超前检测传感器和水力割缝喷嘴、碟形滚刀成组联合破岩，所述岩石形状超前检测传感器用于检测碟形滚刀挤压路径上岩体形成的崩落切口形状，并将数据传送至采集分析与控制系统，数据采集分析与控制系统根据崩落切口形状向电磁阀发送开启或关闭指令，电磁阀的开启或关闭控制着水力割缝喷嘴水源动力的开、闭，进而控制水力割缝喷嘴的智能开启或关闭，实现水力割缝喷嘴按需在岩体上切割出岩体缝隙，所述振动发储电系统用于向岩石形状超前检测传感器和控制水力割缝喷嘴的电磁阀供电，所述碟形滚刀可靠地滚压岩体缝隙，利用先导孔所形成的自由面楔裂岩石，楔裂的岩石碎片若过大，则会被岩块二次破碎板再次破碎，破碎后的碎片经连续扩孔末圆盘上的过料口排出，如此不断重复，从而达到在岩体上钻孔扩张的目的，高能钻地弹能够通过先导钻孔和扩张共享动力轴的内部共享通道向超坚硬的岩体发射形成先导孔。
进一步的，所述先导钻孔和扩张共享动力轴外部设置有动力输入花键段，所述先导钻孔和扩张共享动力轴内部设置有高压水入口、高压水流道、高压水输出口，所述高压水入口处设置有动密封圈槽，所述动密封圈槽内用于安装动密封圈，所述高压水入口通过高压水流道将高压水动态引入至高压水输出口用于给水力割缝喷嘴供水，所述高压水入口与外部高压水管连通，所述连续扩孔末圆盘、连续扩孔支撑弧形板内形成有连通水力割缝喷嘴、高压水输出口的供水管道，所述电磁阀下部连接在供水管道上，用于控制供水管道的开、闭，所述动力输入花键段用于传递外界输入的机械动力。
进一步的，所述先导牙轮钻头包括圆周对称肋板、合金压头、中心通孔I、支撑盘，所述的圆周对称肋板焊接在支撑盘上，所述支撑盘紧固在先导扩孔镶齿滚刀头上，所述合金压头镶嵌在圆周对称肋板上，所述圆周对称肋板内表面与支撑盘下部的紧固孔构成中心通孔I。
进一步的，同一个圆周对称肋板上的所述合金压头之间的间距由内而外呈指数形式增大。
进一步的，所述圆周对称肋板分为四个按圆周均匀对称焊接在支撑盘上。
进一步的，所述开切口过料圆盘包括圆周阵列切口和中心通孔II，所述圆周阵列切口用于先导孔形成过程中岩渣的流通，所述开切口过料圆盘用于支撑先导扩孔镶齿滚刀头。
进一步的，所述岩块防卡滚筒包括密布的球齿，所述岩块防卡滚筒直径小于先导扩孔镶齿滚刀头的成孔直径。
进一步的，所述连续扩孔前圆盘上安装数个镐型截齿，所述镐型截齿作用方向平行于先导牙轮钻头和先导扩孔镶齿滚刀头钻孔方向。
进一步的，所述碟形滚刀刀刃夹角为30°-60°，所述碟形滚刀回转中心线与先导牙轮钻头和先导扩孔镶齿滚刀头钻孔中心线夹角为85°-90°。
进一步的，所述连续扩孔支撑弧形板包括按连续扩孔前圆盘外圆周均匀分布的若干个，所述连续扩孔支撑弧形板曲率由地质条件和破岩机构推进方向确定。
本发明的有益效果：本发明结构紧凑，安装拆卸方便，不需要专门的动力装置，只需作为整体更换在现有掘进装备上即可，在破岩的过程中，可选用高能钻地炮首先在岩体上形成先导孔作为自由面，紧接着利用高压水在岩体上实现预割缝，最后滚刀利用岩石抗压不抗拉特性对其实现楔裂，解决了超硬岩地质破岩机构严重磨损、破岩效率低、粉尘量大等系列问题，并且不受地质环境的影响，能够在任何地质条件下进行岩体掘进施工，对实现坚硬及超坚硬岩石的破碎具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构的结构示意图；
图2为本发明先导钻孔和扩张共享动力轴的内部结构图；
图3为本发明先导牙轮钻头的结构示意图；
图4为本发明水力割缝以及滚刀楔裂原理示意图。
附图标记说明：
1—先导牙轮钻头；1-1—圆周对称肋板；1-2—合金压头；1-3—中心通孔I；1-4—支撑盘；2—先导扩孔镶齿滚刀头；3—开切口过料圆盘；3-1—圆周阵列切口；3-2—中心通孔II；4—岩块防卡滚筒；4-1—球齿；5—连续扩孔前圆盘；5-1—镐型截齿；6—连续扩孔支撑弧形板；7—岩石形状超前检测传感器；8—水力割缝喷嘴；9—碟形滚刀；10—连续扩孔末圆盘；11—岩块二次破碎板；12—先导钻孔和扩张共享动力轴；12-1—中心共享通道；12-2—高压水入口；12-3—高压水流道；12-4—高压水输出口；12-5—动力输入花键段；12-6—动密封圈槽；13—高能钻地弹；14—岩体；15—动密封圈；16—崩落切口；17—岩体割缝；18—数据采集分析与控制系统；19—电磁阀；20—振动发储电系统。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第 一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地 连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图4所示，本实施例提供一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构，包括先导钻孔和扩张共享动力轴12、依次设置在先导钻孔和扩张共享动力轴12上的连续扩孔末圆盘10、岩块二次破碎板11、连续扩孔前圆盘5、岩块防卡滚筒4、开切口过料圆盘3、以及安装在开切口过料圆盘3上的先导扩孔镶齿滚刀头2、先导牙轮钻头1，所述连续扩孔前圆盘5与连续扩孔末圆盘10之间连接有连续扩孔支撑弧形板6，所述连续扩孔支撑弧形板6包括按连续扩孔前圆盘5外圆周均匀分布的若干个，所述连续扩孔支撑弧形板曲率由地质条件和破岩机构推进方向确定，所述连续扩孔支撑弧形板6上设置有若干交替均布的碟形滚刀9、岩石形状超前检测传感器7，每个岩石形状超前检测传感器7旁分别设有一个水力割缝喷嘴8，所述连续扩孔末圆盘10上设置有若干过料口10-1并内置有密封处理的数据采集分析与控制系统18、电磁阀19、振动发储电系统20，所述岩石形状超前检测传感器7、电磁阀19、振动发储电系统20与数据采集分析与控制系统18之间电连接；
所述先导钻孔和扩张共享动力轴12内设置有能够作为高能钻地弹13的发射通道的中心共享通道12-1，所述先导牙轮钻头1和先导扩孔镶齿滚刀头2用于在岩体14上形成先导孔为后续连续扩孔提供自由面，同回转半径安装在连续扩孔支撑弧形板6上的岩石形状超前检测传感器7和水力割缝喷嘴8、碟形滚刀9成组联合破岩，所述岩石形状超前检测传感器7用于检测碟形滚刀9挤压路径上岩体14形成的崩落切口16形状，并将数据传送至采集分析与控制系统18，数据采集分析与控制系统18根据崩落切口16形状向电磁阀19发送开启或关闭指令，电磁阀的开启或关闭控制着水力割缝喷嘴水源动力的开、闭，进而控制水力割缝喷嘴的智能开启或关闭，实现水力割缝喷嘴8按需在岩体14上切割出岩体缝隙17；
所述振动发储电系统20用于向岩石形状超前检测传感器7和控制水力割缝喷嘴8的电磁阀19供电，所述碟形滚刀9可靠地滚压岩体缝隙17，利用先导孔所形成的自由面楔裂岩石，楔裂的岩石碎片若过大，则会被岩块二次破碎板11再次破碎，破碎后的碎片经连续扩孔末圆盘10上的过料口10-1排出，如此不断重复，从而达到在岩体14上钻孔扩张的目的，可选用的高能钻地弹13可以通过先导钻孔和扩张共享动力轴12的内部共享通道12-1向超坚硬的岩体14发射形成先导孔。
所述先导钻孔和扩张共享动力轴12外部设置有动力输入花键段12-5，所述先导钻孔和扩张共享动力轴12内部设置有高压水入口12-2、高压水流道12-3、高压水输出口12-4，所述高压水入口12-2处设置有动密封圈槽12-6，所述动密封圈槽12-6内设置有动密封圈15，所述高压水入口12-2通过高压水流道12-3将高压水动态引入至高压水输出口12-4用于给水力割缝喷嘴8供水，所述高压水入口12-2与外部高压水管连通，所述连续扩孔末圆盘10、连续扩孔支撑弧形板6内形成有连通水力割缝喷嘴8、高压水输出口12-4的供水管道，所述电磁阀19下部连接在供水管道上，用于控制供水管道的开、闭，所述动力输入花键段12-5用于传递外界输入的机械动力。
所述先导牙轮钻头1包括圆周对称肋板1-1、合金压头1-2、中心通孔I1-3、支撑盘1-4，所述圆周对称肋板1-1分为四个按圆周均匀对称焊接在支撑盘1-4上，所述支撑盘1-4紧固在先导扩孔镶齿滚刀头2上，所述合金压头1-2镶嵌在圆周对称肋板1-1上，所述圆周对称肋板1-1内表面与支撑盘1-4下部的紧固孔构成中心通孔I1-3，同一个圆周对称肋板上的所述合金压头1-2之间的间距由内而外呈指数形式增大。
所述开切口过料圆盘3包括圆周阵列切口3-1和中心通孔II3-2，所述圆周阵列切口3-1用于先导孔形成过程中岩渣的流通，所述开切口过料圆盘3用于支撑先导扩孔镶齿滚刀头2。
所述岩块防卡滚筒4包括密布的球齿4-1，所述岩块防卡滚筒4直径小于先导扩孔镶齿滚刀头2的成孔直径。
所述连续扩孔前圆盘5上安装数个镐型截齿5-1，所述镐型截齿5-1作用方向平行于先导牙轮钻头1和先导扩孔镶齿滚刀头2钻孔方向。
所述碟形滚刀9刀刃夹角为30°-60°，所述碟形滚刀9回转中心线与先导牙轮钻头1和先导扩孔镶齿滚刀头2钻孔中心线夹角为85°-90°。
如图1和图3所示，工作时，首先将本发明通过动力输入花键段12-5安装至外界机械动力输出装置上，外界机械动力输出装置的扭矩和推进力通过先导钻孔和扩张共享动力轴12传递至开切口过料圆盘3、岩块防卡滚筒4、续扩孔前圆盘5、连续扩孔末圆盘10和岩块二次破碎板11，先导牙轮钻头1和先导扩孔镶齿滚刀头2在岩体14上形成先导孔为后续连续扩孔提供自由面，随着外界机械动力输出装置推进力的持续作用，该破岩机构总体向前运动，与此同时，所述岩石形状超前检测传感器7用于检测碟形滚刀9挤压路径上岩体14形成的崩落切口16形状，并将数据传送至采集分析与控制系统18，数据采集分析与控制系统18根据崩落切口16形状向电磁阀19发送开启或关闭指令，电磁阀的开启或关闭控制着水力割缝喷嘴水源动力的开、闭，实现水力割缝喷嘴8按需在岩体14上切割出岩体缝隙17，所述振动发储电系统20用于向岩石形状超前检测传感器7和控制水力割缝喷嘴8的电磁阀19供电，所述碟形滚刀9可靠地滚压岩体缝隙17，利用先导孔所形成的自由面楔裂岩石，该破岩机构继续前进，后面蝶形滚刀9利用先前蝶形滚刀9破碎岩石作为自由面楔裂岩石，楔裂的岩石碎片若过大，则会被岩块二次破碎板11再次破碎，破碎后的碎片经连续扩孔末圆盘10上的过料口10-1排出，如此不断重复，从而达到在岩体14上钻孔扩张的目的，高能钻地弹13能够通过先导钻孔和扩张共享动力轴12的内部共享通道12-1向超坚硬的岩体14发射形成先导孔，解决了超硬岩地质破岩机构严重磨损、破岩效率低、粉尘量大等系列问题，并且不受地质环境的影响，能够在任何地质条件下进行岩体掘进施工，对实现坚硬及超坚硬岩石的破碎具有重要的意义。
本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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的保护范围中。
Claims (10)
1.一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构，其特征在于，包括先导钻孔和扩张共享动力轴（12）、依次设置在先导钻孔和扩张共享动力轴（12）上的连续扩孔末圆盘（10）、岩块二次破碎板（11）、连续扩孔前圆盘（5）、岩块防卡滚筒（4）、开切口过料圆盘（3）以及安装在开切口过料圆盘（3）上的先导牙轮钻头（1）、先导扩孔镶齿滚刀头（2），所述连续扩孔前圆盘（5）与连续扩孔末圆盘（10）之间连接有若干个均布的连续扩孔支撑弧形板（6），所述连续扩孔支撑弧形板（6）上设置有若干交替均布的碟形滚刀（9）、岩石形状超前检测传感器（7），每个岩石形状超前检测传感器（7）旁分别设置有一个水力割缝喷嘴（8），所述连续扩孔末圆盘（10）上设置有数据采集分析与控制系统（18）、电磁阀（19）、振动发储电系统（20）以及若干过料口（10-1），所述先导钻孔和扩张共享动力轴（12）内设置有能够作为高能钻地弹（13）的发射通道的中心共享通道（12-1），所述岩石形状超前检测传感器（7）、电磁阀（19）、振动发储电系统（20）与数据采集分析与控制系统（18）之间电连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构，其特征在于，所述先导钻孔和扩张共享动力轴（12）外部设置有动力输入花键段（12-5），所述先导钻孔和扩张共享动力轴（12）内部设置有高压水入口（12-2）、高压水流道（12-3）、高压水输出口（12-4），所述高压水入口（12-2）处设置有动密封圈槽（12-6），所述动密封圈槽（12-6）内用于安装动密封圈（15），所述高压水入口（12-2）通过高压水流道（12-3）将高压水动态引入至高压水输出口（12-4）用于给水力割缝喷嘴（8）供水，所述高压水入口（12-2）与外部高压水管连通，所述连续扩孔末圆盘（10）、连续扩孔支撑弧形板（6）内形成有连通水力割缝喷嘴（8）、高压水输出口（12-4）的供水管道，所述电磁阀（19）下部连接在供水管道上，用于控制供水管道的开、闭，所述动力输入花键段（12-5）用于传递外界输入的机械动力。
3.根据权利要求1所述的一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构，其特征在于，所述先导牙轮钻头（1）包括圆周对称肋板（1-1）、合金压头（1-2）、中心通孔I（1-3）、支撑盘（1-4），所述的圆周对称肋板（1-1）焊接在支撑盘（1-4）上，所述支撑盘（1-4）紧固在先导扩孔镶齿滚刀头（2）上，所述合金压头（1-2）镶嵌在圆周对称肋板（1-1）上，所述圆周对称肋板（1-1）内表面与支撑盘（1-4）下部的紧固孔构成中心通孔I（1-3）。
4.根据权利要求3所述的一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构，其特征在于，同一个圆周对称肋板上的所述合金压头（1-2）之间的间距由内而外呈指数形式增大。
5.根据权利要求3所述的一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构，所述圆周对称肋板（1-1）分为四个按圆周均匀对称焊接在支撑盘（1-4）上。
6.根据权利要求1所述的一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构，其特征在于，所述开切口过料圆盘（3）包括圆周阵列切口（3-1）和中心通孔II（3-2），所述圆周阵列切口（3-1）用于先导孔形成过程中岩渣的流通，所述开切口过料圆盘（3）用于支撑先导扩孔镶齿滚刀头（2）。
7.根据权利要求1所述的一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构，其特征在于，所述岩块防卡滚筒（4）包括密布的球齿（4-1），所述岩块防卡滚筒（4）直径小于先导扩孔镶齿滚刀头（2）的成孔直径。
8.根据权利要求1所述的一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构，其特征在于，所述连续扩孔前圆盘（5）上安装数个镐型截齿（5-1），所述镐型截齿（5-1）作用方向平行于先导牙轮钻头（1）和先导扩孔镶齿滚刀头（2）钻孔方向。
9.根据权利要求1所述的一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构，其特征在于，所述碟形滚刀（9）刀刃夹角为30°-60°，所述碟形滚刀（9）回转中心线与先导牙轮钻头（1）和先导扩孔镶齿滚刀头（2）钻孔中心线夹角为85°-90°。
10.根据权利要求1所述的一种适用于全地质岩体掘进用智能混合破岩机构，其特征在于，所述连续扩孔支撑弧形板（6）包括按连续扩孔前圆盘（5）外圆周均匀分布的若干个，所述连续扩孔支撑弧形板（6）曲率由地质条件和破岩机构推进方向确定。
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