CN113775294B - 一种随钻跟进管棚施工装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种随钻跟进管棚施工装置，包括管棚管抓取组件、扣压组件以及根管钻头；管棚管抓取组件包括转动轴、动力件以及第一机械手；扣压组件包括扣压机；通过凿岩台车的凿岩机带动钻杆穿过扣压机，并与根管钻头连接，管棚管套设在钻杆上，扣压机将根管钻头和管棚管扣压在一起，钻杆钻进的同时能带动管棚管前进，实现同步安装，解决了当成孔困难时无法安装管棚的问题，提高了安装效率；并且通过扣压机还能将两根管棚管扣压在一起，从而代替了管棚管之间的螺纹连接，缩短了管棚管连接时间，提高了安装效率。本发明还公开了一种随钻跟进管棚管施工方法，采用了随钻跟进管棚施工装置，能实现钻孔的同时管棚管自动安装，安装效率高。

Description

一种随钻跟进管棚施工装置及施工方法

技术领域

本发明涉及管棚安装领域，具体涉及一种随钻跟进管棚施工装置及施工方法。

背景技术

管棚施工是隧道工程软弱围岩、破碎带、溶洞等不良地质条件时使用的超前支护措施，用于防止土层坍塌和地表下沉，提高隧道掘进的安全性。

现有管棚施工存在的问题是：1、一般采用先钻孔，再安装管棚的方法，当塌孔、成孔困难时，存在管棚无法安装的难题，且施工效率低；2、部分采用随钻跟进管棚施工，在管棚上加工丝扣，通过人工连接两根管棚，工人劳动强度大，施工效率低，且安全风险高。

综上所述，急需一种随钻跟进管棚施工装置及施工方法以解决现有技术中管棚安装困难以及安装效率低的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种随钻跟进管棚施工装置及施工方法，以解决现有技术中管棚管安装困难以及安装效率低的问题，具体技术方案如下：

一种随钻跟进管棚施工装置，包括管棚管抓取组件、扣压组件以及根管钻头；

所述管棚管抓取组件包括转动轴、动力件以及第一机械手；所述转动轴设置在凿岩台车的推进机构上，所述第一机械手设置在转动轴上，动力件与转动轴连接，通过第一机械手、转动轴和动力件的组合实现管棚管的夹持及位置调节；

所述扣压组件包括扣压机；所述扣压机设置在推进机构上；所述根管钻头安装在扣压机上，钻杆、管棚管、扣压机以及根管钻头同轴设置；管棚管套设在钻杆外侧。

以上技术方案优选的，所述第一机械手数量为至少两组，沿管棚管轴向相邻的两组第一机械手之间设有第一伸缩件，且其中一组第一机械手固定设置在转动轴上，另一组第一机械手滑动设置在转动轴上，多组第一机械手和第一伸缩件的组合用于带动管棚管朝向工作面方向前进；第一伸缩件的伸缩方向与管棚管轴向一致。

以上技术方案优选的，第一机械手包括机械手本体、第二伸缩件以及管棚管颚板；所述机械手本体设置在转动轴上；所述机械手本体上设有用于夹持管棚管的夹合口；所述管棚管颚板铰接在机械手本体上；第二伸缩件的两端分别连接机械手本体和管棚管颚板，第二伸缩件带动管棚管颚板将管棚管顶紧在夹合口内。

以上技术方案优选的，所述第一机械手还包括两组用于夹持钻杆的钻杆颚板，一组钻杆颚板设置在机械上本体上，另一组钻杆颚板设置在管棚管颚板上，第二伸缩件带动两组钻杆颚板夹合。

以上技术方案优选的，两组所述钻杆颚板上均设有对应的夹合槽。

以上技术方案优选的，所述扣压组件还包括顶尖以及连接座；所述扣压机通过连接座安装在推进机构靠近工作面的一端；所述顶尖设置在连接座靠近工作面的一端上。

以上技术方案优选的，所述扣压组件还包括用于夹持钻杆的第二机械手；第二机械手包括第三伸缩件以及两组铰接的夹板；第三伸缩件的两端分别连接两组夹板，通过第三伸缩件带动两组夹板夹紧钻杆。

以上技术方案优选的，所述推进机构上滑动设有用于支撑管棚管的扶管器。

以上技术方案优选的，还包括管棚管托架；所述管棚管托架安装在凿岩台车的吊篮上。

一种随钻跟进管棚管施工方法，采用了随钻跟进管棚施工装置，包括以下步骤：

步骤S1：将第一根钻杆连接凿岩台车的凿岩机，并将第一根管棚管套设在第一根钻杆上，凿岩机沿推进机构前进，第一根钻杆与根管钻头连接；将第一根管棚管推至根管钻头内，扣压机将第一根管棚管与根管钻头扣压在一起；

步骤S2：凿岩机带动第一根钻杆钻孔的同时带动第一根管棚管前进，完成第一根管棚管安装；扣压组件的第二机械手夹紧第一根钻杆，凿岩机反转拆卸第一根钻杆，凿岩机复位；

步骤S3：在动力件的带动下，第一机械手旋转至靠近吊篮的一侧，将管棚管托架上的第i根管棚管以及套设在第i根管棚管内的第i根钻杆放置到第一机械手的夹合口内，i取大于等于2且小于等于N的自然数，第一机械手夹紧第i根管棚管以及第i根钻杆；第一机械手旋转带动第i根管棚管以及第i根钻杆运动至与扣压机同轴位置；

步骤S4：凿岩机旋转连接第i根钻杆，并带动第i根钻杆沿推进机构前进，第i根钻杆与第i-1根钻杆连接；第一伸缩件动作，从而带动滑动设置在转动轴上的第一机械手朝向工作面运动，第i根管棚管的前端插入第i-1根管棚管的后端，扣压机扣压第i根管棚管和第i-1根管棚管的连接处；凿岩机带动第i根钻杆和第i-1根钻杆继续钻进，完成第i根管棚管安装；

步骤S5：当i小于等于N时，取i=i+1，返回步骤S3，凿岩机复位；否则，进入下一步；

步骤S6：管棚管安装完成后，进行钻杆拆卸，具体是：第一步，凿岩机带动当前的钻杆后退，扣压组件的第二机械手夹紧当前的钻杆；第二步，凿岩机反转，凿岩机与当前的钻杆脱离，将当前的钻杆取下；第三步，凿岩机前进旋转连接下一根钻杆；依次重复第一步、第二步和第三步，直至所有的钻杆拆卸完毕。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

（1）本发明的随钻跟进管棚施工装置包括管棚管抓取组件、扣压组件以及根管钻头；所述管棚管抓取组件安装在凿岩台车的推进机构上；所述管棚管抓取组件包括转动轴、动力件以及第一机械手；所述扣压组件包括扣压机；通过凿岩台车的凿岩机带动钻杆穿过扣压机，并与根管钻头连接，管棚管套设在钻杆上，扣压机将根管钻头和管棚管扣压在一起，钻杆钻进的同时能带动管棚管前进，实现同步安装，解决了当成孔困难时无法安装管棚的问题，提高了安装效率；并且通过扣压机还能将两根管棚管扣压在一起，从而代替了管棚管之间的螺纹连接，缩短了管棚管连接时间，提高了安装效率。

（2）本发明的第一机械手数量为至少两组，相邻的两组第一机械手，其中一组固定设置在转动轴上，另一组滑动设置在转动轴上，通过第一伸缩件带动滑动设置的第一机械手沿转动轴长度方向滑动，从而将管棚管的前端插入另一根管棚管的后端内，实现了管棚管的自动连接。

（3）本发明的第一机械手包括机械手本体、第二伸缩件以及管棚管颚板；通过第二伸缩件以及管棚管颚板的配合，将管棚管夹紧在夹合口内，安全性好。

（4）本发明的第一机械手还包括两组用于夹持钻杆的钻杆颚板，第二伸缩件动作的同时能带动两组钻杆颚板夹合，从而同时夹紧管棚管和钻杆，稳定性好。

（5）本发明的两组钻杆颚板上均设有对应的夹合槽，两组夹合槽闭合能形成一个用于夹持钻杆的通孔，便于保证钻杆的稳定。

（6）本发明的扣压组件还包括连接座以及顶尖；连接座便于扣压组件其他部件的安装，顶尖插入工作面内，用于支撑推进机构，保证结构稳定。

（7）本发明的扣压组件还包括第二机械手；第二机械手包括第三伸缩件以及两组铰接的夹板，夹板未夹紧时，管棚管能从两组夹板中通过，当第三伸缩件带动两组夹板闭合后，能夹紧钻杆，便于拆卸钻杆。

（8）本发明的推进机构上滑动设有用于支撑管棚管的扶管器，扶管器能沿推进机构长度方向滑动；第一机械手旋转，并将管棚管放置在扶管器内，扶管器用于支撑管棚管，并提高管棚管以及钻杆运动的直线度。

（9）本发明还包括管棚管托架；所述管棚管托架安装在凿岩台车的吊篮上，管棚管以及套设在管棚管内的钻杆均放置在管棚管托架上，便于管棚管的快速连接。

本发明还公开了一种随钻跟进管棚管施工方法，采用了所述的随钻跟进管棚施工装置，能实现钻孔的同时管棚管自动安装，安装效率高。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1是本实施例的随钻跟进管棚施工装置结构示意图（示意了凿岩台车）；

图2是图1未示意吊篮的结构示意图；

图3是图1中管棚管抓取组件的结构示意图；

图4是图1中第一机械手的结构示意图；

图5是图1中扣压组件的结构示意图（未示意根管钻头）；

图6是根管钻头的截面示意图；

其中，1、凿岩台车；1.1、推进机构；1.2、凿岩机；1.3、吊篮；2、管棚管抓取组件；2.1、转动轴；2.2、动力件；2.3、第一机械手；2.31、机械手本体；2.311、夹合口；2.32、第二伸缩件；2.33、管棚管颚板；2.34、钻杆颚板；3、扣压组件；3.1、扣压机；3.2、顶尖；3.3、连接座；3.4、第二机械手；4、管棚管托架；5、扶管器；6、第一伸缩件；7、钻杆；8、管棚管；9、根管钻头；9.1、扩孔钻头；9.2、中心钻头；9.3、短管棚。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例：

一种随钻跟进管棚施工装置，包括管棚管抓取组件2、扣压组件3以及根管钻头9，如图1-5所示，具体如下；

如图1-2所示，所述管棚管抓取组件2包括转动轴2.1、动力件2.2、第一机械手2.3、安装座一以及安装座二；所述转动轴2.1通过安装座一设置在凿岩台车1的推进机构1.1（如推进梁）上，且转动轴2.1的轴向与推进机构1.1的长度方向平行；所述动力件2.2通过安装座二安装在推进机构1.1上，且动力件2.2的输出端与转动轴2.1连接，通过动力件2.2能带动转动轴2.1转动，动力件2.2优选为马达；

所述第一机械手2.3设置在转动轴2.1上，能随转动轴2.1一起转动，第一机械手2.3用于夹持管棚管，管棚管8内套设有钻杆7；第一机械手2.3的数量至少设有两组（本实施例优选两组），一组第一机械手2.3固定设置在转动轴2.1上，另一组第一机械手2.3滑动设置在转动轴2.1上，能沿转动轴2.1的轴向滑动；两组第一机械手2.3之间固定连接有第一伸缩件6（如伸缩油缸），第一伸缩件6的伸缩方向与转动轴2.1轴向一致，通过第一伸缩件6带动第一机械手2.3在转动轴2.1上滑动。

如图3-4所示，所述第一机械手2.3包括机械手本体2.31、第二伸缩件2.32以及管棚管颚板2.33；所述机械手本体2.31滑动或固定设置在转动轴2.1上；所述机械手本体2.31上设有用于夹持管棚管的夹合口2.311，管棚管穿过夹合口2.311，夹合口2.311的侧视形状为C形，所述管棚管颚板2.33铰接在机械手本体2.31上，管棚管颚板2.33的形状也为C形，第二伸缩件2.32（伸缩油缸）的两端分别连接机械手本体2.31和管棚管颚板2.33，通过第二伸缩件2.32带动管棚管颚板2.33转动，从而将管棚管顶紧在夹合口2.311内。

如图3-4所示，所述第一机械手2.3还包括两组用于夹持钻杆的钻杆颚板2.34，一组钻杆颚板2.34固定设置在机械手本体2.31上，另一组钻杆颚板2.34固定设置在管棚管颚板2.33上，第二伸缩件2.32伸缩的同时，能带动两组钻杆颚板2.34开闭，从而实现钻杆的夹紧或松开，优选两组所述钻杆颚板2.34上均设有对应的夹合槽，两组夹合槽在夹合时，能形成一个用于夹持钻杆的通孔。本实施例的图3仅示意了一组第一机械手2.3上的钻杆颚板2.34，图1中未示意钻杆颚板2.34。

如图1和图5所示，所述扣压组件3包括扣压机3.1、顶尖3.2、连接座3.3以及第二机械手3.4；所述连接座3.3设置在推进机构1.1靠近工作面的端部，所述扣压机3.1设置在连接座3.3的上端，所述根管钻头9安装在扣压机3.1靠近工作面的一端上，所述顶尖3.2设置在连接座3.3靠近工作面的一端上，用于支撑推进机构1.1。凿岩台车1的凿岩机1.2、管棚管8、钻杆7、扣压机3.1以及根管钻头9均同轴设置。扣压机3.1参考现有机构。

所述根管钻头9的结构是：如图6所示，根管钻头9包括扩孔钻头9.1、中心钻头9.2以及短管棚9.3；扩孔钻头9.1、中心钻头9.2以及短管棚9.3同轴设置，短管棚9.3固定连接在扩孔钻头9.1的端面，短管棚9.3与钻杆以及管棚管连接，扩孔钻头以及中心钻头用于钻进。

如图5所示，所述第二机械手3.4设置在连接座3.3内，且第二机械手3.4位于扣压机3.1远离工作面的一侧，第二机械手3.4用于夹持钻杆；第二机械手3.4包括第三伸缩件（如伸缩油缸）以及两组夹板；两组夹板的中部铰接在一起（形成交叉式的结构），两组夹板的上端用于夹持钻杆，两组夹板的下端通过第三伸缩件连接，第三伸缩件伸缩，能带动两组夹板运动（即闭合或松开），当两组夹板处于松开状态时，能允许管棚管通过。

优选的，如图1所示，所述推进机构1.1上滑动设有用于支撑管棚管的扶管器5，扶管器5能沿推进机构1.1的长度方向滑移，扶管器5形状为U形，U形的开口朝上，且扶管器5与扣压机3.1位于同一直线上，当第一机械手2.3旋转至推进机构1.1一侧时，扶管器5能支撑住管棚管。

优选的，如图1-2所示，还包括管棚管托架4；所述管棚管托架4安装在凿岩台车1的吊篮1.3上，管棚管托架4用于管棚管的放置。

本实施例还公开了一种随钻跟进管棚管施工方法，采用了所述的随钻跟进管棚施工装置，通过凿岩机1.2连接钻杆，凿岩机1.2带动钻杆钻进的同时管棚管随钻杆前进，从而实现管棚管安装，具体包括以下步骤：

步骤S1：人工辅助将第一根钻杆连接凿岩台车1的凿岩机1.2，并将第一根管棚管套设在第一根钻杆上，凿岩机1.2沿推进机构1.1前进，第一根钻杆的前端穿过扣压机3.1与根管钻头9螺纹连接；人工辅助将第一根管棚管的缩径端推至根管钻头9内，扣压机3.1将第一根管棚管的缩径端与根管钻头9扣压在一起；

步骤S2：凿岩机1.2带动第一根钻杆钻孔的同时带动第一根管棚管前进，完成第一根管棚管安装；扣压组件3的第二机械手3.4夹紧第一根钻杆，凿岩机1.2反转拆卸第一根钻杆（即与第一根钻杆脱离），凿岩机1.2退回复位；

步骤S3：在动力件（液压马达）2.2的带动下，第一机械手2.3旋转至靠近吊篮1.3的一侧，人工辅助将管棚管托架4上的第i根管棚管以及套设在第i根管棚管内的第i根钻杆放置到第一机械手2.3的夹合口2.311内，第一机械手2.3夹紧第i根管棚管以及第i根钻杆；第一机械手2.3旋转带动第i根管棚管以及第i根钻杆运动至与扣压机3.1同轴的位置；其中，i取大于等于2且小于等于N的自然数，N取2-20中的任一自然数，优选的，N取5-8中的任一自然数。

步骤S4：凿岩机1.2前进，凿岩机1.2旋转连接第i根钻杆，并带动第i根钻杆沿推进机构1.1前进，第i根钻杆与第i-1根钻杆连接，第一伸缩件6（伸缩油缸）动作，从而带动滑动设置在转动轴2.1上的第一机械手2.3朝向工作面运动（此时固定设置在转动轴上的第一机械手不夹紧管棚管），使得第i根管棚管的前端（即缩径端）插入第i-1根管棚管的后端，扣压机3.1扣压第i根管棚管和第i-1根管棚管的连接处；凿岩机1.2带动第i根钻杆和第i-1根钻杆继续钻进，第i根管棚管随之前进，完成第i根管棚管安装；

步骤S5：当i小于等于N时，取i=i+1，返回步骤S3，凿岩机1.2复位；否则，进入下一步；

步骤S6：管棚管安装完成后，进行钻杆拆卸，具体是：第一步，凿岩机1.2带动当前的钻杆后退，当两根钻杆的连接处位于第二机械手3.4的后端（即靠近工作面的一端）时，扣压组件的第二机械手3.4夹紧当前的钻杆；第二步，凿岩机1.2反转，凿岩机1.2与当前的钻杆脱离，人工辅助将当前的钻杆从另一根钻杆上取下；第三步，凿岩机1.2前进旋转连接下一根钻杆；依次重复第一步、第二步和第三步，直至所有的钻杆拆卸完毕。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种随钻跟进管棚施工装置，其特征在于，包括管棚管抓取组件（2）、扣压组件（3）以及根管钻头（9）；

所述管棚管抓取组件（2）包括转动轴（2.1）、动力件（2.2）以及第一机械手（2.3）；所述转动轴（2.1）设置在凿岩台车（1）的推进机构（1.1）上，所述第一机械手（2.3）设置在转动轴（2.1）上，动力件（2.2）与转动轴（2.1）连接，通过第一机械手（2.3）、转动轴（2.1）和动力件（2.2）的组合实现管棚管的夹持及位置调节；

所述扣压组件（3）包括扣压机（3.1）；所述扣压机（3.1）设置在推进机构（1.1）上；所述根管钻头（9）安装在扣压机（3.1）上，钻杆（7）、管棚管（8）、扣压机（3.1）以及根管钻头（9）同轴设置；管棚管（8）套设在钻杆（7）外侧；

所述第一机械手（2.3）数量为至少两组，沿管棚管（8）轴向相邻的两组第一机械手（2.3）之间设有第一伸缩件（6），且其中一组第一机械手固定设置在转动轴（2.1）上，另一组第一机械手滑动设置在转动轴（2.1）上，多组第一机械手和第一伸缩件的组合用于带动管棚管朝向工作面方向前进；第一伸缩件（6）的伸缩方向与管棚管轴向一致；

第一机械手（2.3）包括机械手本体（2.31）、第二伸缩件（2.32）以及管棚管颚板（2.33）；所述机械手本体（2.31）设置在转动轴（2.1）上；所述机械手本体（2.31）上设有用于夹持管棚管的夹合口（2.311）；所述管棚管颚板（2.33）铰接在机械手本体（2.31）上；第二伸缩件（2.32）的两端分别连接机械手本体（2.31）和管棚管颚板（2.33），第二伸缩件（2.32）带动管棚管颚板（2.33）将管棚管顶紧在夹合口（2.311）内；

所述第一机械手（2.3）还包括两组用于夹持钻杆的钻杆颚板（2.34），一组钻杆颚板（2.34）设置在机械手 本体上，另一组钻杆颚板（2.34）设置在管棚管颚板（2.33）上，第二伸缩件（2.32）带动两组钻杆颚板（2.34）夹合。

2.根据权利要求1所述的随钻跟进管棚施工装置，其特征在于，两组所述钻杆颚板（2.34）上均设有对应的夹合槽。

3.根据权利要求1所述的随钻跟进管棚施工装置，其特征在于，所述扣压组件（3）还包括顶尖（3.2）以及连接座（3.3）；所述扣压机（3.1）通过连接座（3.3）安装在推进机构（1.1）靠近工作面的一端；所述顶尖（3.2）设置在连接座（3.3）靠近工作面的一端上。

4.根据权利要求3所述的随钻跟进管棚施工装置，其特征在于，所述扣压组件（3）还包括用于夹持钻杆的第二机械手（3.4）；第二机械手（3.4）包括第三伸缩件以及两组铰接的夹板；第三伸缩件的两端分别连接两组夹板，通过第三伸缩件带动两组夹板夹紧钻杆。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的随钻跟进管棚施工装置，其特征在于，所述推进机构（1.1）上滑动设有用于支撑管棚管的扶管器（5）。

6.根据权利要求5所述的随钻跟进管棚施工装置，其特征在于，还包括管棚管托架（4）；所述管棚管托架（4）安装在凿岩台车（1）的吊篮（1.3）上。

7.一种随钻跟进管棚管施工方法，采用了如权利要求6所述的随钻跟进管棚施工装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将第一根钻杆连接凿岩台车（1）的凿岩机（1.2），并将第一根管棚管套设在第一根钻杆上，凿岩机（1.2）沿推进机构（1.1）前进，第一根钻杆与根管钻头（9）连接；将第一根管棚管推至根管钻头（9）内，扣压机（3.1）将第一根管棚管与根管钻头（9）扣压在一起；

步骤S2：凿岩机（1.2）带动第一根钻杆钻孔的同时带动第一根管棚管前进，完成第一根管棚管安装；扣压组件（3）的第二机械手（3.4）夹紧第一根钻杆，凿岩机（1.2）反转拆卸第一根钻杆，凿岩机（1.2）复位；

步骤S3：在动力件（2.2）的带动下，第一机械手（2.3）旋转至靠近吊篮（1.3）的一侧，将管棚管托架（4）上的第i根管棚管以及套设在第i根管棚管内的第i根钻杆放置到第一机械手（2.3）的夹合口（2.311）内，i取大于等于2且小于等于N的自然数，第一机械手（2.3）夹紧第i根管棚管以及第i根钻杆；第一机械手（2.3）旋转带动第i根管棚管以及第i根钻杆运动至与扣压机（3.1）同轴位置；

步骤S4：凿岩机（1.2）旋转连接第i根钻杆，并带动第i根钻杆沿推进机构（1.1）前进，第i根钻杆与第i-1根钻杆连接；第一伸缩件（6）动作，从而带动滑动设置在转动轴（2.1）上的第一机械手（2.3）朝向工作面运动，第i根管棚管的前端插入第i-1根管棚管的后端，扣压机（3.1）扣压第i根管棚管和第i-1根管棚管的连接处；凿岩机（1.2）带动第i根钻杆和第i-1根钻杆继续钻进，完成第i根管棚管安装；

步骤S5：当i小于等于N时，取i=i+1，返回步骤S3，凿岩机（1.2）复位；否则，进入下一步；

步骤S6：管棚管安装完成后，进行钻杆拆卸，具体是：第一步，凿岩机（1.2）带动当前的钻杆后退，扣压组件的第二机械手（3.4）夹紧当前的钻杆；第二步，凿岩机（1.2）反转，凿岩机（1.2）与当前的钻杆脱离，将当前的钻杆取下；第三步，凿岩机（1.2）前进旋转连接下一根钻杆；依次重复第一步、第二步和第三步，直至所有的钻杆拆卸完毕。

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