CN113931652A - 煤矿tbm超前探分体式遥控钻机及超前探施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻机及施工方法，属于钻探技术领域，具体是涉及一种煤矿TBM(硬岩全断面掘进机)超前探分体式遥控钻机及超前探施工方法。相较于常规TBM超前探钻机30‑50m的施工能力，本钻机是一款转矩、推进力更大的专用深孔钻机，能够完成300m以上的深孔超前钻探施工，对于具有“先探后掘”强制性要求的煤矿巷道掘进施工而言，可大大减少钻掘交替频次，有效提高综合施工效率。钻机主机部分采用独立结构，布置于TBM推进机构后方的拖车平台上，可实现周向角、主轴倾角、工作半径的大范围调节以适应TBM特殊的超前探孔位需求。钻机采用电控遥控控制，操作台与泵站可根据TBM布局灵活布置。此外，本发明还提出了一套适合于煤矿TBM的超前探施工方法。

Description

煤矿TBM超前探分体式遥控钻机及超前探施工方法

技术领域

本发明涉及一种钻机及施工方法，属于钻探技术领域，具体是涉及一种煤矿TBM超前探分体式遥控钻机及超前探施工方法。

技术背景

近年来，煤矿岩石巷道掘进已成为制约煤炭行业进一步高效高质量发展的重要因素。目前，我国煤矿井下巷道掘进机多以悬臂式掘进机及传统钻爆法施工为主，存在掘锚失衡、成巷效率低、安全性差等技术难题。与传统施工方式相比，全断面硬岩隧道掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)可以实现连续破破岩、装岩、转载、支护、喷雾防尘等工序，具有机械化程度高、工序简单、施工速度快、施工质量高、支护简单、工作安全等优点。通常，TBM在进行矿山、隧道、城市施工前都会进行全面的地质勘察和探测，通过多种技术及手段可做到精确的地质情况报告，施工过程中的超前探测大多采用物探手段，虽配置有超前钻机但使用频率相对较低。然而，煤矿井下巷道掘进施工存在施工深度大、地质条件复杂，前期地面设计勘探无法做到精确预报等问题，为此，国家也做出了“逢掘必探，先探后掘”强制性的规定，将超前探钻探施工定型为强制性规定。

目前的常规TBM虽然均配有超前探钻机，但普遍采用顶冲式，短距离钻孔效果尚可，其转矩、推进力相对较小(转矩不超过1000Nm、推进力约10-20kN)，单次钻进深度一般不超过30-50m，对于具有“先探后掘”强制性要求的煤矿巷道掘进施工而言，频繁的钻掘交替对巷道掘进效率造成了很大的影响，此外，顶冲式钻机采用的钻具直径普遍较小，钻进过程中易受推进力、旋转扭以及冲击波的联合作用而引起偏斜，影响超前探精准度，这些问题极大因素制约了TBM装备在煤矿井下的进一步推广应用。

发明内容：

本发明的主要目的解决现有技术中所存在的上述问题，提供一种适合于煤矿的TBM专用超前探分体式遥控钻机及超前探施工方法。该钻机转矩、推进力更大，可满足300m以上的深孔超前钻探施工，大大降低钻掘交替频次，可有效提高TBM综合施工效率；该钻机主机采用独立结构，变幅自由度及调节范围大，可将钻进轴线布置于TBM盾壳与推进机构间的环空内，并从刀盘预留的多组通孔穿出，实现多组水平超前探施工，另外，也可通过大范围的倾角调节，实现钻进轴线沿盾体后部四周通孔的延伸进而实现TBM四周的钻探施工。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种煤矿TBM超前探分体式钻机，包括布置于盾体后部的拖车平台上的主机，所述主机包括：固定于拖车平台上的连接底板，固定于连接底板上的底座；通过周向角回转驱动相连接于所述底座上的变幅装置；所述变幅装置上部内侧设置倾角回转驱动，所述倾角回转驱动与给进装置的一端相连，所述给进装置的另一端通过斜撑装置支撑于变幅装置的底部。

优选的，上述的一种煤矿TBM超前探分体式钻机，包括：所述变幅装置包括机架和卡板；所述机架的一端嵌入卡板上设置的滑槽内并且受一举升油缸的驱动而沿滑槽移动。

优选的，上述的一种煤矿TBM超前探分体式钻机，所述卡板通过一周向角回转驱动与底座连接；所述周向角回转驱动与钻机的掘进轴线同轴。

优选的，上述的一种煤矿TBM超前探分体式钻机，所述机架上部设置有一倾角回转驱动，所述倾角回转驱动的固定圈与机架连接，转动圈与给进装置连接。

优选的，上述的一种煤矿TBM超前探分体式钻机，所述斜撑装置包括一斜撑杆，所述给进装置的一端设置有前横梁，所述前横梁两侧设置有液压夹头体，所述液压夹头体设置有通孔，所述斜撑杆一端连接于机架，另一端穿过所述通孔并可在其内滑动，所述液压夹头体可在液压作用下夹紧斜撑杆，液压释放的情况下松开斜撑杆。

优选的，上述的一种煤矿TBM超前探分体式钻机，所述液压夹头体包括：与前横梁两侧焊接的底座，通过螺栓与底座两侧连接的压紧座；所述底座与所述压紧座之间安装有盖瓦，所述盖瓦与底座之间形成一通孔，所述通孔的孔径可随所述盖瓦相对于底座的移动而变化。

优选的，上述的一种煤矿TBM超前探分体式钻机，所述底座两侧设置有盲孔，所述盖瓦两侧设置有与所述盲孔同轴的沉孔，所述底座盲孔底部安装有正反交替放置的碟簧，一限位柱的一端穿过所述碟簧的通孔，其中部与底座盲孔和所述沉孔相配合，另一端穿出所述盖瓦。

优选的，上述的一种煤矿TBM超前探分体式钻机，所述压紧座两侧、盖瓦、底座、上设置有同轴的活塞通孔，所述活塞通孔内设置有活塞，所述活塞可在油压作用下沿通孔轴向运动以带运所述限位柱和盖瓦运动并压缩所述述碟簧。

优选的，上述的一种煤矿TBM超前探分体式钻机，所述限位柱为两端直径小，中部直径大的结构，其中部直径较大的部位与底座盲孔和所述沉孔相配合。

一种基于上述的煤矿TBM超前探分体式钻机的施工方法，包括：

可通过调节举升油缸实现钻机工作半径的调节，通过周向角转盘的调节可实现钻进轴线绕TBM掘进轴线的旋转，通过主轴倾角转盘的调节实现钻进倾角的调节，以上几组调节动作相互配合，可实现钻机钻进轴线沿TBM前部盾壳内侧与推进机构间狭小环空内的布置，并从刀盘预留的多组通孔中穿出，进而实现了水平向前的超前探施工，由于钻机周向角调节范围大，可满足在断面上不同间隔的多组前探钻孔施工；

钻机可进行大范围的主轴倾角调节，让钻进轴线沿盾体四周预留的通孔中穿出，进而实现TBM四周探测。

因此，相较于常规TBM所配置的超前探钻机而言，本发明具有如下优势：

(1)钻机转矩大、推进力大可进行300m以上的超前钻孔施工；

(2)主机采用独立机构，安装在TBM盾体后部的拖车平台上，变幅装置自由度多，调节范围大，与常规TBM钻机布置于TBM周向大齿轮与盾体间的狭小空间内相比，方便了工人的施工操作；

(3)变幅装置周向角、主轴倾角、举升高度调节范围大，且周向转动轴与TBM掘进轴线同轴，钻孔位姿调节方便，可满足TBM各类型超前探钻孔施工要求；钻机工作半径调节范围大，能满足直径在3.5～7m间TBM的布局要求；

(4)斜撑杆可有效增强给进装置在施工过程中的稳定性，并保护倾角回转驱动，配套的液压夹头体可实现对斜撑杆的自动化夹紧或松开，省时省力；

(5)周向角回转驱动内部设计有制动装置，可有效减小施工过程中机身因周向角回转驱动蜗杆与齿轮盘间隙而引起的晃动；

(6)在卡板与底座间设计有保护周向角回转驱动的支撑装置，可有效保护周向角回转驱动，分担其在大推进力、起拔力工况下所受的倾翻力矩；

(7)钻机采用电控遥控操作，操作台与泵站可根据TBM结构灵活布局；

附图说明

图1为本发明实施例的钻机布局图；

图中1-刀盘，2-盾体，3-主机，4-操作台，5-拖车，6-泵站

图2为本发明实施例的主机示意图；

图中，101-连接底板、102-底座、103-变幅装置、104-给进装置、105-斜撑装置、106-回转器、107-夹持器、108-扶正器、109-液压夹头体横梁

图3为本发明实施例的操作台示意图；

图4为本发明实施例的泵站示意图；

图5为本发明实施例的变幅装置示意图；

图中，10301-机架、10302-卡板、10303-周向角回转驱动、10304-倾角回转驱动、10305-举升油缸、10306-支撑装置、10307-制动装置

图6为本发明实施例的液压夹头体横梁示意图；

图中，11101-前横梁，11102-液压夹头体

图7为本发明实施例的液压夹头体示意图；

图中，1110201-底座、1110202-盖瓦、1110203-压紧座、1110204-端盖、1110205-活塞、1110206-限位柱、1110207-导向柱、1110208-碟簧、1110209-限位接头、1110210-挡板

图8为本发明实施例的超前探钻孔布置示意图；

图9为本发明实施例的四周超前探钻孔布置示意图；

图10为本发明实施例的电气原理图。

具体实施方式

本发明公开了一种适用于煤矿TBM的超前探分体式遥控钻机，如图1所示，该钻机主要由主机3、操作台4、泵站6三部分组成。

主机3布置于TBM推进机构后部的拖车上，钻进机身可绕TBM掘进轴线周向旋转，通过举升油缸可调节钻孔的施工半径。操作台布置于主机附近，主要用于液压动力的分配及精确调节。液压泵站6布置于拖车后方，为整个钻机提供动力。

相比于TBM现有常用超前探钻机，本钻机转矩大、推进力大更适合300m以上的深孔超前钻探施工，可有效提高TBM综合施工效率；独立的变幅装置让钻机无需布置于TBM周向大齿轮与盾体间的狭小空间内的同时，满足了钻杆从护盾与推进机构间的环空通过，方便了超前探钻孔的施工与布置。钻机采用无线遥控控制，操作人员可根据钻机位置选择合适的角度观察、操作。

如图2所示，本实施例的主机3主要由连接底板101、底座102、变幅装置103、给进装置104、斜撑装置105、回转器106、夹持器107、扶正器108组成，连接底板101焊接于TBM拖车平台上，底座与连接底板螺接，变幅装置103与底座通过周向角回转驱动相连接，给进装置104两侧分别与变幅装置上部内侧的倾角回转驱动相连，动力头、夹持器107、扶正器108分别安装在给进装置上方。

如图5所示，本实施例的变幅装置103主要由机架10301、卡板10302、周向角回转驱动10303、倾角回转驱动10304、举升油缸10305、支撑装置10306、制动装置10307组成。机架10301嵌入卡板10302的滑道中通过一组举升油缸与卡板相连。举升油缸一端与卡板通过销轴连接，一端通过销轴与机架连接，油缸的伸缩可带动机架沿卡板内侧凹槽滑移，即实现了钻机施工半径的调节。周向角回转驱动10303与TBM掘进轴线同轴，固定圈与底座螺接，转动圈与卡板连接，当周向角回转驱动转动时，卡板跟随周向角回转驱动转动圈齿轮转动进而带动机架、给进装置等同步转动，即实现了整机的周向角调节。倾角回转驱动布置于机架上部内侧，固定圈与机架连接，转动圈与给进装置连接，当倾角回转驱动转动时，给进装置跟随转动圈一同转动，即实现了整机主轴倾角的调节。

本实施例中，在卡板10302、底座102之间，周向角回转驱动10303的四周设计有支撑装置10306，支撑装置10306的一侧与底座102立面螺接，另一端面与卡板10302保持微小的间隙且间隙可调。在较大施工半径状态下，可有效分担推进力及起拔力产生的力矩，起到支撑保护周向角回转驱动的作用。

本实施例中，在周向回转驱动10303内部空间安装有制动装置，制动装置设计有六个活塞，可沿制动装置外圆向外伸出并顶紧周向角回转驱动转动圈内侧并产生较大的静摩擦力，该装置可有效防止回转驱动蜗杆与转动圈配合间隙造成的整机晃动。

本实施例中，斜撑装置105是一组分别布置于给进装置104两侧的斜撑杆，其一端连接于机架，另一端穿过给进装置前横梁11101两侧设置的液压夹头体11102上的通孔，当液压夹头体松开时，调节倾角回转驱动，斜撑杆可在液压夹头体横梁通孔内进行相对滑动；当液压夹头体夹紧时，斜撑杆与液压夹头体横梁锁紧，施工过程中给进装置、斜撑杆、机架形成稳定结构，进而起到保护倾角回转驱动、减小给进装置晃动的作用。

本实施例中，液压夹头体11102包括底座1110201、盖瓦1110202、压紧座1110203、端盖1110204、活塞1110205、限位柱1110206、导向柱1110207、碟簧1110208、限位接头1110209、挡板1110210。底座1110201与前横梁两侧焊接，压紧座1110203通过螺栓与底座1110201两侧连接，盖瓦1110202安装于压紧座与底座之间并与底座形成一个沿底座宽度方向的通孔，盖瓦1110202与底座间安装有四个导向柱，限定盖瓦1110202沿导向柱1110207运动，可增大或缩小盖瓦与底座形成的通孔直径；盖瓦1110202两侧设计有沉孔，与底座两侧的盲孔同轴；在底座盲孔底部安装有正反交替放置的碟簧1110208，限位柱1110206采用三段不等直径的设计，两端直径小，中部直径大，一端穿过碟簧通孔，中部与底座盲孔、盖瓦沉孔配合，另一端穿出盖瓦；压紧座110203两侧同样设置有通孔，分别与盖瓦、底座通孔同轴；压紧座通孔内部设置有活塞，在油压作用下可沿通孔轴向运动；端盖111204螺接于压紧座外侧，并且两侧设置有螺纹通孔，限位接头1110209通过螺纹与端盖1110204连接；在底座宽度方向两侧设置有挡板1110210，与底座螺栓连接，当高压油通过限位接头1110209进入压紧座内活塞1110205一侧时，活塞受力向另一侧运动，并推动限位柱、盖瓦同向运动，盖瓦1110202在运动过程中受到导向柱1110207和挡板1110210的限制，保证其沿轴向运动，运的过程中限位柱开始压缩碟簧1110208，直至盖瓦1110202与底座1110201接触面贴合，进而实现了夹紧功能，即斜撑杆被液压夹头体夹紧；当高压油泄油时，在碟簧预紧力的作用下受压碟簧1110208反向运动，限位柱1110206受力向盖瓦1110202侧运动将盖瓦1110202顶至压紧座接触面，使盖瓦与底座间通孔直径变大，即斜撑杆可在液压夹头体内自由滑动。

给进装置104上安装有动力头、夹持器、扶正器。动力头为钻具提供回转动力；给进装置中的给进油缸可控制动力头在给进装置长度方向上往复运动，即为钻具提供推进或起拔力；夹持器用于夹持孔内钻具，并与动力头配合可实现钻具的拧卸。

操作台4主要由电磁阀、控制器、接收器、遥控器、液压阀组、遥控发射器组成，通过液压油管与主机执行机构相连接。接收器接收遥控器发出的无线信号通过线缆传输至控制柜，控制柜通过预先写入的程序读取遥控器信号，并向各电磁阀发出信号，进而实现了遥控器的无线控制。

.操作台减压阀溢流阀采取电磁阀、机械阀的双模设计，通过手动换向阀进行切换，确保电控故障情况下可以进行应急操作。泵站主要由电动机、液压泵I、液压泵II、冷却器、油箱、电磁启动器等液压辅件组成。电动机提供动力，液压泵吸入油箱内油液并输出高压油，通过管路通往操作台。

本实施例还提供了一种TBM超前探施工工法，包括以下步骤：

(1)可通过调节举升油缸实现钻机工作半径的调节，通过周向角转盘的调节可实现钻进轴线绕TBM掘进轴线的旋转，通过主轴倾角转盘的调节实现钻进倾角的调节，以上几组调节动作相互配合，可实现钻机钻进轴线沿TBM前部盾壳内侧与推进机构间狭小环空内的布置，并从刀盘预留的多组通孔中穿出，进而实现了水平向前的超前探施工，由于钻机周向角调节范围大，可满足在断面上不同间隔的多组前探钻孔施工。

(2)钻机可进行大范围的主轴倾角调节，让钻进轴线沿盾体四周预留的通孔中穿出，进而实现TBM四周探测。

Claims (10)

1.一种煤矿TBM超前探分体式钻机，包括布置于盾体后部的拖车平台上的主机(3)，其特征在于，所述主机(3)包括：固定于拖车平台上的连接底板(101)，固定于连接底板(101)上的底座(102)；通过周向角回转驱动相连接于所述底座(102)上的变幅装置(103)；所述变幅装置(103)上部内侧设置倾角回转驱动，所述倾角回转驱动与给进装置(104)的一端相连，所述给进装置(104)的另一端通过斜撑装置(105)支撑于变幅装置(103)的底部。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿TBM超前探分体式钻机，其特征在于，包括：所述变幅装置(103)包括机架(10301)和卡板(10302)；所述机架(10301)的一端嵌入卡板(10302)上设置的滑槽内并且受一举升油缸(10305)的驱动而沿滑槽移动。

3.根据权利要求2所述的一种煤矿TBM超前探分体式钻机，其特征在于，所述卡板(10302)通过一周向角回转驱动(10303)与底座(102)连接；所述周向角回转驱动(10303)与钻机的掘进轴线同轴。

4.根据权利要求2所述的一种煤矿TBM超前探分体式钻机，其特征在于，所述机架(10301)上部设置有一倾角回转驱动(10304)，所述倾角回转驱动(10304)的固定圈与机架连接，转动圈与给进装置连接。

5.根据权利要求1所述的一种煤矿TBM超前探分体式钻机，其特征在于，所述斜撑装置(105)包括一斜撑杆，所述给进装置(104)的一端设置有前横梁(11101)，所述前横梁(11101)两侧设置有液压夹头体(11102)，所述液压夹头体(11102)设置有通孔(11102)，所述斜撑杆一端连接于机架，另一端穿过所述通孔(11102)并可在其内滑动，所述液压夹头体(11102)可在液压作用下夹紧斜撑杆，液压释放的情况下松开斜撑杆。

6.根据权利要求5所述的一种煤矿TBM超前探分体式钻机，其特征在于，所述液压夹头体(11102)包括：与前横梁(11101)两侧焊接的底座(1110201)，通过螺栓与底座两侧连接的压紧座(1110203)；所述底座(1110201)与所述压紧座(1110203)之间安装有盖瓦(1110202)，所述盖瓦(1110202)与底座之间形成一通孔，所述通孔的孔径可随所述盖瓦(1110202)相对于底座的移动而变化。

7.根据权利要求6所述的一种煤矿TBM超前探分体式钻机，其特征在于，所述底座两侧设置有盲孔，所述盖瓦两侧设置有与所述盲孔同轴的沉孔，所述底座盲孔底部安装有正反交替放置的碟簧(1110208)，一限位柱(1110206)的一端穿过所述碟簧(1110208)的通孔，其中部与底座盲孔和所述沉孔相配合，另一端穿出所述盖瓦(1110202)。

8.根据权利要求7所述的一种煤矿TBM超前探分体式钻机，其特征在于，所述压紧座(1110203)两侧、盖瓦(1110202)、底座(1110201)、上设置有同轴的活塞通孔，所述活塞通孔内设置有活塞，所述活塞可在油压作用下沿通孔轴向运动以带运所述限位柱(1110205)和盖瓦(1110202)运动并压缩所述述碟簧(1110208)。

9.根据权利要求7所述的一种煤矿TBM超前探分体式钻机，其特征在于，所述限位柱(1110205)为两端直径小，中部直径大的结构，其中部直径较大的部位与底座盲孔和所述沉孔相配合。

10.一种基于权利要求1所述的煤矿TBM超前探分体式钻机的施工方法，其特征在于，包括：

可通过调节举升油缸实现钻机工作半径的调节，通过周向角转盘的调节可实现钻进轴线绕TBM掘进轴线的旋转，通过主轴倾角转盘的调节实现钻进倾角的调节，以上几组调节动作相互配合，可实现钻机钻进轴线沿TBM前部盾壳内侧与推进机构间狭小环空内的布置，并从刀盘预留的多组通孔中穿出，进而实现了水平向前的超前探施工，由于钻机周向角调节范围大，可满足在断面上不同间隔的多组前探钻孔施工；

钻机可进行大范围的主轴倾角调节，让钻进轴线沿盾体四周预留的通孔中穿出，进而实现TBM四周探测。

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