CN114278305A - 扩孔式竖井掘进机及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种扩孔式竖井掘进机及其施工方法，其中，扩孔式竖井掘进机包括刀盘、主驱动结构和主梁。主驱动结构与刀盘连接并能驱动刀盘旋转，主梁的下端与主驱动结构固接。在主梁上还套设有呈上下设置的支护平台和撑靴推进机构，在支护平台上设有管片拼装机。本发明解决了传统竖井施工工作条件差、劳动强度大、施工进度慢的问题，在已知有导井的情况下，可一次钻进开挖成井并同步完成井壁衬砌。

Description

扩孔式竖井掘进机及其施工方法

技术领域

本发明是关于竖井施工技术领域，尤其涉及一种扩孔式竖井掘进机及其施工方法。

背景技术

目前竖井施工仍以传统凿井法为主，通过凿孔、装药、爆破，完成作业面岩石的破碎，通风处理后将爆破产生的岩渣通过小型挖机或抓岩机装入吊桶后提升出井，待岩渣清理完毕后通过现浇混凝土完成井壁的衬砌，各工序为顺序作业，存在施工人员多、施工设备杂乱，施工工作条件差、劳动强度大、施工进度慢等问题。针对下部有成形巷道的竖井工程，可采用反井钻机完成小直径竖井的开挖，受限于现有反井钻机的技术和能力，扩孔期间无法直接对围岩进行支护，且开始挖的竖井直径相对偏小，不能满足全断面掘进的要求；针对超过7m直径的竖井，还需要再次通过传统凿井法进行扩井和井壁支护进行施工。目前，在已知有导井的情况下，还未有竖井掘进机可一次钻进开挖成井并同步完成井壁衬砌的案例

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种扩孔式竖井掘进机及其施工方法，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扩孔式竖井掘进机及其施工方法，解决了传统竖井施工工作条件差、劳动强度大、施工进度慢的问题，在已知有导井的情况下，可一次钻进开挖成井并同步完成井壁衬砌。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种扩孔式竖井掘进机，包括从下至上顺序设置的刀盘、主驱动结构和主梁；主驱动结构与刀盘连接并能驱动刀盘旋转，主梁的下端与主驱动结构固接；在主梁上还套设有呈上下设置的支护平台和撑靴推进机构，在支护平台上设有管片拼装机。

在本发明的一较佳实施方式中，扩孔式竖井掘进机还包括作业保护平台以及位于作业保护平台上方的后配套平台，主梁的上端与作业保护平台固接；支护平台与主梁能相对周向转动并轴向滑动地连接，在撑靴推进机构和支护平台之间连接有第一升降驱动装置，用于驱动支护平台相对于主梁上下升降移动；在支护平台上还设有用于固定管片的第一锚杆钻机，在后配套平台上设有注浆装置和管片运输装置，管片运输装置用于存放地面运送的管片，并能将管片下放至支护平台上；注浆装置用于对已拼好的管片进行壁后注浆。

在本发明的一较佳实施方式中，在撑靴推进机构的顶部固设有支撑平台，第一升降驱动装置的底部与支撑平台连接；在支撑平台上还设有轴向均竖直设置的管片顶推油缸和止浆环升降油缸，在止浆环升降油缸的顶部固设有止浆密封环并能带动止浆密封环上下升降移动，止浆密封环能顶靠在管片的底部并用于封堵管片浆液；管片顶推油缸的顶部能穿过止浆密封环，用于在管片拼装机拼装管片时对管片进行支撑。

在本发明的一较佳实施方式中，支护平台间隔套设在主梁的外侧，在第一升降驱动装置和支护平台之间设有回转支承机构，回转支承机构包括能相对转动的回转外圈和回转内圈，回转内圈与支护平台固接，第一回转驱动装置与回转内圈连接并能驱动回转内圈相对于回转外圈转动；第一升降驱动装置与回转外圈固接，并能通过回转外圈驱动支护平台沿主梁上下升降移动。

在本发明的一较佳实施方式中，在支护平台和主梁之间设有静止结构环和旋转结构环，静止结构环能轴向滑动并周向固定的套设在主梁上，旋转结构环能转动地套设在静止结构环的外侧并与支护平台固接；第一回转驱动装置与旋转结构环连接并能驱动旋转结构环相对于静止结构环转动；第一升降驱动装置的顶部与静止结构环固接，并能驱动静止结构环沿主梁上下升降移动。

在本发明的一较佳实施方式中，在后配套平台上还设有第二锚杆钻机，用对于已拼好的管片进行锚杆补打作业；第二锚杆钻机能沿后配套平台的周向旋转，并能相对于后配套平台上下升降移动。

在本发明的一较佳实施方式中，在后配套平台上设有环形的齿圈，在齿圈的环形外缘上沿齿圈的周向设置有齿，第二锚杆钻机能移动地设置在齿圈的顶面上且靠近其环形外缘处；第二锚杆钻机上设置有第二回转驱动装置，第二回转驱动装置与齿圈的环形外缘上的齿之间连接有传动齿轮，以带动第二锚杆钻机沿齿圈的环形外缘进行周向转动；在后配套平台上固设有滑道机构，齿圈能轴向滑动并周向固定的套设在滑道机构的外侧；在后配套平台的下方固设有支撑盘，在支撑盘和齿圈之间连接有第二升降驱动装置，第二升降驱动装置能驱动齿圈沿滑道机构上下升降移动。

在本发明的一较佳实施方式中，注浆装置包括浆液存放罐和注浆泵，注浆泵与浆液存放罐连接，并能将浆液泵送至已拼好的管片的壁后；管片运输装置包括管片运输车和管片下放吊机，管片运输车用于存放地面运送的管片，并能将管片平移至靠近管片下放吊机的位置，管片下放吊机用于将管片下放至支护平台上。

在本发明的一较佳实施方式中，后配套平台位于作业保护平台的上方并留有一定间隔，用于放置在地面上的第一提升机通过第一悬吊钢丝绳与后配套平台连接；或者后配套平台的底部与作业保护平台固接。

在本发明的一较佳实施方式中，在后配套平台的上方还设有检修平台，用于放置在地面上的第二提升机通过第二悬吊钢丝绳与检修平台连接。

在本发明的一较佳实施方式中，撑靴推进机构包括撑靴装置和调向装置，撑靴装置包括环形的撑靴支撑架，撑靴支撑架间隔套设在主梁的外侧，在撑靴支撑架上周向间隔设有多组撑靴结构，撑靴结构能沿主梁的径向移动并能用于撑紧在井壁上；在撑靴支撑架与主梁之间周向间隔铰接有多组推进油缸；调向装置位于撑靴装置的上方，调向装置包括环形的调向支撑架，调向支撑架的两侧与撑靴装置能转动连接，并能使调向支撑架和主梁一起绕垂直于主梁轴向的第一方向摆动；调向支撑架能轴向滑动并周向固定的套设在主梁上，并能使主梁绕垂直于主梁轴向的第二方向摆动，第二方向垂直于第一方向。

在本发明的一较佳实施方式中，调向支撑架的两端通过对称设置的两个轴承安装在撑靴装置上，两个轴承的中心连线方向构成第一方向；在调向支撑架和主梁之间设有两组弧面块体组件，两组弧面块体组件相对于第二方向对称设置；每组弧面块体组件均包括弧面配合块和弧面滑动块，弧面配合块固设在调向支撑架上；弧面滑动块与弧面配合块周向固定并与主梁滑动接触；弧面配合块上具有内圆弧面，弧面滑动块上具有外圆弧面，外圆弧面与内圆弧面滑动配合。

在本发明的一较佳实施方式中，每组推进油缸均包括主推进油缸和辅推进油缸，辅推进油缸的轴线和主梁的轴线之间的夹角大于主推进油缸的轴线和主梁的轴线之间的夹角。

在本发明的一较佳实施方式中，每组撑靴结构均包括撑靴油缸和靴板，撑靴油缸的第一端与撑靴支撑架固接，撑靴油缸的第二端与靴板固接。

在本发明的一较佳实施方式中，每组撑靴结构还包括外箱体和内箱体，外箱体的长度方向沿主梁的径向设置，外箱体与撑靴支撑架固接；靴板位于外箱体的外侧，内箱体能滑动地穿设在外箱体内并与靴板固接，撑靴油缸的第一端固设在外箱体的外表面。

在本发明的一较佳实施方式中，刀盘的下部为直径向下渐缩的锥形结构，在锥形结构上设有多个开挖刀具；在刀盘的上部周向间隔设有多个扩挖装置，扩挖装置能沿刀盘的径向伸缩移动。

本发明还提供一种上述的扩孔式竖井掘进机的施工方法，包括如下步骤：

进行先导洞施工，在地下形成导井；

将撑靴推进机构撑紧在井壁，主驱动结构带动刀盘进行旋转，同时撑靴推进机构推动主梁、主驱动结构和刀盘一起向下移动，并将产生的推力作用于刀盘，刀盘在推力和旋转的共同作用下使岩块破碎，破碎的岩石进入导井内，完成岩渣排放；在掘进期间，井上同步下放管片；

掘进行程满足一环管片的安装空间时，撑靴推进机构离开井壁，支护平台随撑靴推进机构的部分结构一起下移，下移到位后撑靴推进机构重新撑紧井壁，停止推进，进行管片安装任务；

将管片下放至支护平台上，通过管片拼装机的抓取将管片与上一环管片进行连接；该环管片拼装完成后，进行下一循环的掘进作业。

由上所述，本发明中的扩孔式竖井掘进机及其施工方法，取代传统的钻爆法施工模式，采用全机械作业方式，减少了施工人员数量，保证了施工人员的安全性。取代打眼放炮的开挖方式，采用刀盘完成竖井的连续开挖，保证了竖井施工井壁的质量。取代现有吊桶上排渣的出渣方式，应用于具有导井的情况，开挖完成的岩渣可以从导井直接进入下部巷道，解决了现有出渣耗时长的难题。创新了井壁支护方式，利用支护平台和管片拼装机的配合，可以采用管片拼装方式实现竖井井壁的支护，替代现有模板支护形式，提高了竖井支护效率。整个掘进机改变了传统竖井施工开挖、出渣、支护等工序顺序作业的施工模式为平行作业模式，大大提高了施工效率。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明提供的扩孔式竖井掘进机的结构示意图。

图2：为图1中支护平台处的局部放大图。

图3：为图2中支护平台与主梁配合的局部放大图。

图4：为本发明提供的支护平台与主梁配合的另一局部放大图。

图5：为图1中后配套平台处的局部放大图。

图6：为本发明提供的第二锚杆钻机与齿圈连接位置的结构示意图。

图7：为本发明提供的撑靴推进机构的结构图。

图8：为图7的俯视图。

图9：为图8的局部放大图。

图10：为图8中A处的放大图。

图11：为本发明提供的调向支撑架、弧面配合块、弧面滑动块和滑移轨道配合的结构图。

图12：为本发明提供的调向支撑架、滑动抗扭块和滑移轨道配合的结构图。

图13：为本发明提供的刀盘的结构示意图。

图14：为本发明提供的刀盘的另一结构示意图。

图15：为本发明提供的扩孔式竖井掘进机的另一结构示意图。

附图标号说明：

1、刀盘；11、开挖刀具；12、扩挖装置；13、刮板运输机；

2、主驱动结构；21、临时作业平台；

3、主梁；31、滑移轨道；311、第一平板轨道；312、第二平板轨道；32、油缸连接座；

4、撑靴推进机构；

41、撑靴装置；411、撑靴支撑架；412、撑靴结构；412′、第一撑靴结构；412〞、第二撑靴结构；4120、撑靴组件；4121、撑靴油缸；4122、靴板；4123、外箱体；4124、内箱体；413、推进油缸；4131、主推进油缸；4132、辅推进油缸；

42、调向装置；421、调向支撑架；4211、延伸臂；422、轴承；4221、座体；423、弧面块体组件；4231、弧面配合块；4232、弧面滑动块；42321、第一垫板；424、滑动抗扭块；4241、第二垫板。

5、支护平台；51、管片拼装机；52、第一锚杆钻机；53、支撑平台；531、管片顶推油缸；532、止浆环升降油缸；5321、止浆密封环；54、第一升降驱动装置；541、升降箱；542、升降油缸；543、导向柱；55、静止结构环；56、旋转结构环；57、第一回转驱动装置；58、回转支承机构；581、回转内圈；582、回转外圈；

6、作业保护平台；

7、后配套平台；70、吊盘；71、注浆装置；711、浆液存放罐；712、注浆泵；72、管片运输装置；721、管片运输车；722、管片下放吊机；73、第二锚杆钻机；731、底座；732、连接杆；733、第二滑轮；74、齿圈；741、防护罩；75、第二回转驱动装置；751、传动齿轮；76、滑道机构；77、延伸柱；771、支撑盘；78、第二升降驱动装置；

8、检修平台；

91、井架；92、第一提升机；921、第一悬吊钢丝绳；93、第二提升机；931、第二悬吊钢丝绳。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

实施方式一

如图1至图15所示，本实施例提供一种扩孔式竖井掘进机，包括从下至上顺序设置的刀盘1、主驱动结构2和主梁3。

主驱动结构2与刀盘1连接并能驱动刀盘1旋转，主梁3的下端与主驱动结构2固接。在主梁3上还套设有呈上下设置的支护平台5和撑靴推进机构4，在支护平台5上设有管片拼装机51。

该掘进机主要适用于具有导井的情况。撑靴推进机构4能用于撑紧在井壁上并能推动主梁3前进；利用刀盘1旋转开挖时破碎的岩石进入导井内，实现出渣；掘进行程满足一环管片的安装空间后，可以利用管片拼装机51进行管片拼装，以支护井壁。

由此，本实施例中的扩孔式竖井掘进机，取代传统的钻爆法施工模式，采用全机械作业方式，减少了施工人员数量，保证了施工人员的安全性。取代打眼放炮的开挖方式，采用刀盘1完成竖井的连续开挖，保证了竖井施工井壁的质量。取代现有吊桶上排渣的出渣方式，应用于具有导井的情况，开挖完成的岩渣可以从导井直接进入下部巷道，解决了现有出渣耗时长的难题。创新了井壁支护方式，利用支护平台5和管片拼装机51的配合，可以采用管片拼装方式实现竖井井壁的支护，替代现有模板支护形式，提高了竖井支护效率。整个掘进机改变了传统竖井施工开挖、出渣、支护等工序顺序作业的施工模式为平行作业模式，大大提高了施工效率。

在具体实现方式中，扩孔式竖井掘进机还包括作业保护平台6以及位于作业保护平台6上方的后配套平台7，主梁3的上端与作业保护平台6固接。支护平台5与主梁3能相对周向转动并轴向滑动地连接，在撑靴推进机构4和支护平台5之间连接有第一升降驱动装置54，用于驱动支护平台5相对于主梁3上下升降移动。在支护平台5上还设有用于固定管片的第一锚杆钻机52，在后配套平台7上设有注浆装置71和管片运输装置72，管片运输装置72用于存放地面运送的管片，并能将管片下放至支护平台5上；注浆装置71用于对已拼好的管片进行壁后注浆。

施工时，撑靴推进机构4撑紧在井壁后，主驱动结构2带动刀盘1进行旋转，同时撑靴推进机构4推动主梁3、主驱动结构2、刀盘1和作业保护平台6一起向下移动(此时支护平台5的位置保持不动)，并将产生的推力作用于刀盘1，刀盘1在推力和旋转的共同作用下使岩块破碎，破碎的岩石进入已开挖成型的导井内，完成岩渣排放。在掘进期间，井上可同步下放管片并将一部分管片暂存于管片运输装置72中。

掘进行程满足一环管片的安装空间时，撑靴推进机构4离开井壁，支护平台5、第一升降驱动装置54、管片拼装机51和第一锚杆钻机52会随撑靴推进机构4的部分结构一起下移，下移到位后撑靴推进机构4会重新撑紧井壁，停止推进，进行管片安装任务。

利用管片运输装置72将管片下放至支护平台5上，通过管片拼装机51的抓取将管片与上一环管片进行连接；该环管片拼装完成后，利用注浆装置71将浆液泵送至刚拼装成环的管片与井壁之间；然后待浆液凝固后，启动支护平台5上的第一锚杆钻机52，对该环管片进行锚杆的初步加固支撑，之后进行下一循环的掘进作业。

其中，利用管片拼装机51拼接管片以及利用第一锚杆钻机52进行锚杆支护时，可以驱动支护平台5绕主梁3周向旋转，还可以利用第一升降驱动装置54驱动支护平台5沿主梁3上下移动，以便于实现圆周方向管片的环状拼接和锚杆支撑固定作业。作业保护平台6为平板结构，用于井下人员在掘进主机上作业时的安全防护。

进一步地，如图2所示，在撑靴推进机构4的顶部固设有支撑平台53，第一升降驱动装置54的底部与支撑平台53连接。在支撑平台53上还设有轴向均竖直设置的管片顶推油缸531和止浆环升降油缸532，在止浆环升降油缸532的顶部固设有止浆密封环5321并能带动止浆密封环5321上下升降移动，止浆密封环5321能顶靠在管片的底部并用于封堵管片浆液以及在管片浆液凝固后缩回。管片顶推油缸531的顶部能穿过止浆密封环5321，用于在管片拼装机51拼装管片时对管片进行支撑。

其中，支撑平台53为环形的平板结构，管片顶推油缸531的数量为多个，止浆环升降油缸532的数量也为多个，在止浆密封环5321上开设有相应的通孔，以便于管片顶推油缸531穿过。

在掘进行程满足一环管片的安装空间，撑靴推进机构4离开井壁后，支撑平台53、管片顶推油缸531、止浆环升降油缸532和止浆密封环5321也会一起随撑靴推进机构4的部分结构一起下移。通过管片拼装机51的抓取将管片与上一环管片进行连接时，管片顶推油缸531伸出对拼装的每块管片起到顶推支撑的作用，待该环的管片拼装完成后，止浆密封环5321在止浆升降油缸542的伸出作用下撑紧井壁并与管片接触，以在后续注浆时封堵管片浆液。通过第一锚杆钻机52将初支锚杆全部打完后，再收回管片顶推油缸531和止浆密封环5321，之后进行下一循环的掘进作业。

进一步地，支护平台5的回转和升降功能可以采用如下两种方式实现：

第一种：参照图2和图3，支护平台5间隔套设在主梁3的外侧，在第一升降驱动装置54和支护平台5之间设有回转支承机构58，回转支承机构58包括能相对转动的回转外圈582和回转内圈581，回转内圈581与支护平台5固接，第一回转驱动装置57与回转内圈581连接并能驱动回转内圈581相对于回转外圈582转动；第一升降驱动装置54与回转外圈582固接，并能通过回转外圈582驱动支护平台5沿主梁3上下升降移动。

具体地，支护平台5为环形平板结构，回转支承机构58包括但不限于轴承。回转内圈581与第一回转驱动装置57的输出轴之间通过齿轮传动装置连接，齿轮传动装置例如可以包括沿回转内圈581的周向设置于回转内圈581内周面上的齿和固定套设于第一回转驱动装置57输出轴上的齿轮，齿轮上的齿与回转内圈581上的齿相啮合，以达到齿轮传动的目的。或者，齿轮传动装置也可为链轮与链条配合传动或者皮带传动等其他传动方式，在此不做具体限定。第一回转驱动装置57可为但不限于液压马达和减速机。通过齿轮传动装置将第一回转驱动装置57的驱动力传递给回转内圈581，带动回转内圈581进行转动，进而带动支护平台5相对于主梁3旋转。

此种结构中，第一升降驱动装置54例如包括升降箱541、在竖向上做升降运动的升降油缸542和可沿竖向伸缩的导向柱543，回转外圈582固设在升降箱541的顶部。第一回转驱动装置57安装在升降箱541内，其输出轴向上伸出升降箱541，升降箱541的设置可以为第一回转驱动装置57提供安装位置。导向柱543连接于支撑平台53与升降箱541之间，升降油缸542连接于导向柱543与升降箱541之间。导向柱543例如可以包括固定柱体和导向杆，固定柱体为竖向设置、顶端开口的筒状结构，固定柱体的底端与支撑平台53的顶面固接，导向杆能沿竖向滑动地设置于固定柱体内，导向杆的顶端由固定柱体的开口处伸出并与升降箱541的底部固接，升降油缸542的缸体与固定柱体的外壁铰接，升降油缸542的活塞杆沿竖向向上伸出并与升降箱541的底部铰接。

升降箱541、导向柱543和升降油缸542的数量为多个，且各升降箱541、各导向柱543和各升降油缸542均沿主梁3的周向均匀排布，以使支护平台5受力均匀，确保支护平台5稳定升降。通过升降油缸542可推动支护平台5在竖向上升降运动，并通过导向柱543为支护平台5在竖向上的运动起到导向的作用，使得支护平台5具有竖向移动自由度。

第二种：参照图4，在支护平台5和主梁3之间设有静止结构环55和旋转结构环56，静止结构环55能轴向滑动并周向固定的套设在主梁3上，旋转结构环56能转动地套设在静止结构环55的外侧并与支护平台5固接；第一回转驱动装置57与旋转结构环56连接并能驱动旋转结构环56相对于静止结构环55转动，进而带动支护平台5沿主梁3的周向转动，实现支护平台5的回转动作。第一升降驱动装置54的顶部与静止结构环55固接，并能驱动静止结构环55沿主梁3上下升降移动，进而带动支护平台5沿主梁3上下升降移动。

具体地，支护平台5为沿水平方向设置的环形平板结构。优选的，还可以在旋转结构环56与支护平台5之间连接有回转支承机构58，以起到支撑和传动的作用，可以将第一回转驱动装置57的驱动力传递给旋转结构环56。回转支承机构58包括回转内圈581和回转外圈582，回转内圈581和回转外圈582均为环状结构，回转外圈582套设于回转内圈581的外侧且回转外圈582与回转内圈581能转动地连接，回转外圈582与支护平台5固接，且回转外圈582与第一回转驱动装置57连接，回转内圈581与第一升降驱动装置54固接。

回转外圈582与第一回转驱动装置57的输出轴之间通过齿轮传动装置连接。回转支承机构58包括但不限于轴承，齿轮传动装置例如可以包括沿回转外圈582的周向设置于回转外圈582边缘上的齿和固定套设于第一回转驱动装置57输出轴上的齿轮，齿轮上的齿与回转外圈582上的齿相啮合，以达到齿轮传动的目的。或者，齿轮传动装置也可为链轮与链条配合传动或者皮带传动等其他传动方式，在此不做具体限定。第一回转驱动装置57可为但不限于液压马达和减速机。通过齿轮传动装置将第一回转驱动装置57的驱动力传递给回转外圈582，带动回转外圈582进行转动，进而带动支护平台5和旋转结构环56一起相对于静止结构环55和主梁3旋转，以便于在支护平台5上进行管片拼装、打锚杆支护等具有回转、升降需求的作业内容，有效提高竖井作业效率。

此种结构中，第一升降驱动装置54的结构可以与上述第一种结构中第一升降驱动装置54的结构类似，也是包括升降箱541、在竖向上做升降运动的升降油缸542和可沿竖向伸缩的导向柱543，不同之处在于，升降箱541固定于静止结构环55上，回转内圈581与升降箱541的顶面固接；其余都与第一种结构相同，在此不再赘述。

当然，支护平台5的回转和升降功能并不局限于上述的两种方式，也可以采用其他的方式实现，本实施例仅为举例说明。

进一步地，如图1所示，在后配套平台7上还设有第二锚杆钻机73，用对于已拼好的管片进行锚杆补打作业；第二锚杆钻机73能沿后配套平台7的周向旋转，并能相对于后配套平台7上下升降移动。在第一锚杆钻机52对管片进行锚杆初步支护后，后续可以利用第二锚杆钻机73对管片进行锚杆补打加强支撑作业，以完成对管片的全面加固支撑。

在一个可选的实施例中，第一锚杆钻机52的回转和升降功能可以这样实现：

参照图5和图6，在后配套平台7上设有环形的齿圈74，在齿圈74的环形外缘上沿齿圈74的周向设置有齿，第二锚杆钻机73能移动地设置在齿圈74的顶面上且靠近其环形外缘处；第二锚杆钻机73上设置有第二回转驱动装置75，第二回转驱动装置75与齿圈74的环形外缘上的齿之间连接有传动齿轮751，以通过传动齿轮751对第二回转驱动装置75的驱动力进行传递，从而带动第二锚杆钻机73沿齿圈74的环形外缘进行周向转动。在后配套平台7上固设有滑道机构76，齿圈74能轴向滑动并周向固定的套设在滑道机构76的外侧；在后配套平台7的下方固设有支撑盘771，在支撑盘771和齿圈74之间连接有第二升降驱动装置78，第二升降驱动装置78能驱动齿圈74沿滑道机构76上下升降移动。

此种结构方式，不仅能够使第二锚杆钻机73同时具有升降和回转两个自由度，而且实现回转和升降的整体结构体积小，结构简单，提高了竖井内的空间利用率；采用齿轮传动方式可对第二锚杆钻机73的转动位置进行更精确的控制，有效提高支护效率。

具体地，一般在后配套平台7的底部固设有延伸柱77，支撑盘771为平板结构固定在延伸柱77的底端。支撑盘771与后配套平台7的底面之间留有距离，第二升降驱动装置78可为但不限于升降油缸，升降油缸的缸体与支撑盘771的顶面连接，升降油缸的活塞杆沿竖向向上伸出且活塞杆的端部与齿圈74的底面连接，可推动齿圈74在竖向上做升降运动，从而可对第二锚杆钻机73在竖向上的位置进行调节。滑道机构76可以为一个，也可以为周向间隔均布的多个，在齿圈74的内圈可以固设有固定板，该固定板上设有第一滑轮，在滑道机构76上设有沿其竖向延伸的滑槽，第一滑轮能滑动地嵌设在滑槽内；第二升降驱动装置78的顶部可以直接与固定板固接。在齿圈74的顶面还会设有操作平台，以便工作人员对设备进行操控；第二锚杆钻机73的下方设置有底座731，第二回转驱动装置75设在底座731上，第二回转驱动装置75可为但不限于电机，传动齿轮751设置于电机的输出轴上，且在电机上连接有减速机。

如图6所示，齿圈74的上方和下方分别设置有防护罩741，防护罩741为沿主梁3的周向设置的圆环形结构，防护罩741的内部形成有圆环形腔室，防护罩741的一侧为与腔室相贯通的圆环形敞口，两防护罩741分别通过各自的敞口位置将齿圈74罩设于防护罩741的腔室内，且在两防护罩741之间留有间隙，以使齿圈74的环形外缘上的齿能够由该间隙伸出至腔室的外部并与传动齿轮751上的齿相啮合。通过防护罩741的设置，对齿圈74起到防护作用，延长齿圈74的使用寿命。

底座731的顶部和底部分别设置有连接杆732，两连接杆732的一端分别与底座731连接，两连接杆732的另一端分别延伸至两防护罩741的内部且在两连接杆732的端部分别设置有第二滑轮733，一第二滑轮733位于齿圈74的上方，另一第二滑轮733位于齿圈74的下方，两第二滑轮733分别与对应的防护罩741的圆环形内壁相接触。通过第二滑轮733起到导向和限位的作用，确保第二锚杆钻机73能够沿齿圈74的周向移动，且确保第二锚杆钻机73不会发生偏移或掉落。

进行锚杆补打加强作业时，工作人员先走上操作平台，通过控制升降油缸的活塞杆的伸缩量来调节齿圈74的升降位置，以将齿圈74移动至工作高度上。在工作过程中，可通过控制电机的启停，使第二锚杆钻机73沿齿圈74的周向转动，从而可完成井壁的整圈打锚杆作业。在完成上述作业后，可再次调整齿圈74的高度，从而对不同高度的井壁进行打锚杆作业。

当然，第二锚杆钻机73的回转和升降功能也可以采用其他的方式实现，本实施例仅为举例说明。

进一步地，如图1所示，注浆装置71包括浆液存放罐711和注浆泵712，注浆泵712与浆液存放罐711连接，并能将浆液泵送至已拼好的管片的壁后。注浆泵712配合浆液存放罐711共同使用，注浆泵712通过管路连接至管片的壁后，用于对新拼装成环的管片进行壁后注浆。

管片运输装置72包括管片运输车721和管片下放吊机722，管片运输车721用于存放地面运送的管片，并能将管片平移至靠近管片下放吊机722的位置，管片下放吊机722用于将管片下放至支护平台5上。地面运送至井下的管片先放置在管片运输车721上，管片运输车721将管片平移至管片下放吊机722附近，管片下放吊机722将管片下放至支护平台5上，管片拼装机51可进行管片抓取作业。在掘进期间，井上可同步下放管片并将一部分管片暂存于管片运输车721上。进行管片的安装任务时，管片吊机将管片一块一块的下放至支护平台5上，通过管片拼装机51的抓取将管片与上一环管片进行连接。

对于上述的后配套平台7可以包括从下至上顺序且间隔设置的至少两个吊盘70，根据设备功能的配置，相关元器件可设置于相同的吊盘70上，也可以设置于不同的吊盘70上，具体吊盘70的数量根据需要而定。例如本实施例中，如图5所示，后配套平台7包括三层间隔设置的吊盘70，第二锚杆钻机73设置在底层的吊盘70上，上述的滑道机构76的两端分别与中层的吊盘70和底层的吊盘70固接，延伸柱77固设在底层的吊盘70的下表面，第二升降驱动装置78的顶部能穿过底层的吊盘70；上述的管片运输车721和注浆泵712设置在中层的吊盘70上，管片下放吊机722和浆液存放罐711设置在顶层的吊盘70上。

在一个可选的实施例中，吊盘后配套与掘进主机采用分体的形式，如图1所示，后配套平台7位于作业保护平台6的上方并留有一定间隔，用于放置在地面上的第一提升机92通过第一悬吊钢丝绳921与后配套平台7连接。此种情况下，在施工过程中，可以适时下放第一悬吊钢丝绳921下放后配套平台7，再通过第二锚杆钻机73对管片进行锚杆补打支撑作业，完成管片的全面加固支撑。

在另一可选的实施例中，吊盘后配套与掘进主机采用整体式设计，如图15所示，后配套平台7的底部与作业保护平台6固接。此种情况下，具体是支撑盘771与作业保护平台6固接，因吊盘后配套与掘进主机固定在一起，只能一起上下移动，此情况下无需悬吊钢丝绳，吊盘后配套随掘进主机移动过程中，利用第二锚杆钻机73的旋转和升降可以对相应位置进行锚杆补打支撑作业。

进一步地，如图1所示，在后配套平台7的上方还设有检修平台8，用于放置在地面上的第二提升机93通过第二悬吊钢丝绳931与检修平台8连接。待需要对管片和井口下放的管线进行日常维护检查时，下放检修平台8，完成正常的检修维保作业。

进一步地，如图1以及图7至图12所示，撑靴推进机构4包括撑靴装置41和调向装置42，撑靴装置41包括环形的撑靴支撑架411，撑靴支撑架411间隔套设在主梁3的外侧，在撑靴支撑架411上周向间隔设有多组撑靴结构412，撑靴结构412能沿主梁3的径向移动并能用于撑紧在井壁上；在撑靴支撑架411与主梁3之间周向间隔铰接有多组推进油缸413。调向装置42位于撑靴装置41的上方，调向装置42包括环形的调向支撑架421，调向支撑架421的两侧与撑靴装置41能转动连接，并能使调向支撑架421和主梁3一起绕垂直于主梁3轴向的第一方向X-X摆动；调向支撑架421能轴向滑动并周向固定的套设在主梁3上，并能使主梁3绕垂直于主梁3轴向的第二方向Y-Y摆动，第二方向Y-Y垂直于第一方向X-X。

其中，推进油缸413与主梁3的铰接点位于撑靴装置41的前方，以便于利用推进油缸413推动主梁3前进。工作时，各撑靴结构412沿主梁3的径向向外伸出并撑紧在井壁上，各推进油缸413伸出，带动主梁3向前移动。推进油缸413伸出最大行程后，各撑靴结构412径向缩回，然后推进油缸413收回，带动撑靴装置41和调向装置42向前移动。在撑靴结构412撑紧在井壁上后，若检测到掘进机的姿态出现倾斜，即主梁3的轴线出现倾斜时，利用相应的推进油缸413带动主梁3和调向支撑架421一起绕第一方向X-X摆动，和/或利用相应的推进油缸413带动主梁3绕第二方向Y-Y摆动，便可使主梁3的姿态回正，进而使掘进机的姿态回正。

整个撑靴推进装置，将撑靴装置41独立于主梁3，仅通过推进油缸413和调向装置42与主梁3连接，可以给主梁3的姿态调整留出足够的空间。同时，主梁3能绕垂直于主梁3轴向的十字方向分别摆动，可以完成多个方向的灵活调整；整个掘进机仅采用一套调向装置42即可完成掘进姿态的多方向调整，调向装置42结构简单，相配套的控制系统控制简单，且调向操作简单，调向效果明显，有效保证了掘进机的掘进姿态，有效解决了掘进机在掘进施工过程中姿态倾斜时调向困难或调向效果不佳的现象。

更为具体地，如图8和图9所示，调向支撑架421的两端通过对称设置的两个轴承422安装在撑靴装置41上，两个轴承422的中心连线方向构成第一方向X-X。在调向支撑架421和主梁3之间设有两组弧面块体组件423，两组弧面块体组件423相对于第二方向Y-Y对称设置；每组弧面块体组件423均包括弧面配合块4231和弧面滑动块4232，弧面配合块4231固设在调向支撑架421上；弧面滑动块4232与弧面配合块4231周向固定并与主梁3滑动接触；弧面配合块4231上具有内圆弧面，弧面滑动块4232上具有外圆弧面，外圆弧面与内圆弧面滑动配合。

其中，调向支撑架421为环形的刚性框架结构，一般在调向支撑架421的两端对称设有两个延伸臂4211，每个延伸臂4211的端部安装一轴承422，该轴承422的座体4221固定在撑靴装置41上，延伸臂4211的轴线方向也即上述的第一方向X-X；该轴承422优选采用关节轴承。通过调节相应的推进油缸413，可以使得调向支撑架421和主梁3共同沿这两个轴承422绕第一方向X-X摆动，调整主梁3在此方向的姿态。内圆弧面形成在弧面配合块4231面向主梁3的侧面上，外圆弧面形成在弧面滑动块4232背对主梁3的侧面上。通过调节相应的推进油缸413，可以使得弧面配合块4231上的内圆弧面与弧面滑动块4232上的外圆弧面相对滑动，调向支撑架421和弧面配合块4231保持不动，主梁3和弧面滑动块4232共同沿内圆弧面绕第二方向Y-Y摆动，调整主梁3在此方向的姿态。

进一步地，为了在不影响调向支撑架421和主梁3之间相对轴向滑动的前提下，便于实现调向支撑架421和主梁3之间的周向固定，以便于抵抗掘进机破岩产生的反扭矩，保证结构更加稳定。可以采用如下两种方式实现：

第一种方式：弧面滑动块4232上形成有凸起，在主梁3上形成有沿其轴向延伸的滑槽，凸起能滑动地嵌设在滑槽中。

通过凸起和滑槽之间的轴向滑动，可以实现调向支撑架421和主梁3之间的相对轴向滑动。同时，凸起和滑槽的配合实现了调向支撑架421和主梁3之间的周向固定，结构简单。此种方式下，弧面滑动块4232与主梁3之间的接触面可以为弧面也可以为平面，具体根据实际需要而定。

第二种方式：在调向支撑架421和主梁3之间还设有两组滑动抗扭块424，两组滑动抗扭块424相对于第一方向X-X对称设置；每组滑动抗扭块424均与调向支撑架421固接并与主梁3滑动接触。

利用弧面滑动块4232与主梁3之间的摩擦力以及滑动抗扭块424与主梁3之间的摩擦力来实现调向支撑架421和主梁3之间的周向固定。此种方式下，优选地，弧面滑动块4232与主梁3之间的接触面为平面，滑动抗扭块424与主梁3之间的接触面为平面，以起到更好的抗反扭矩效果。

进一步地，在主梁3的外周能拆卸地安装有滑移轨道31，弧面滑动块4232与滑移轨道31滑动接触。一般还会在上述的弧面滑动块4232上设有第一垫板42321，在滑动抗扭块424上设有第二垫板4241，该第一垫板42321和第二垫板4241与滑移轨道31滑动接触；在滑动接触面磨损严重时，只需更换滑移轨道31、第一垫板42321和第二垫板4241即可，操作简单。

上述的主梁3为筒状结构，其截面形状可以为圆形，也可以为矩形，也可以为其他多边形形状；上述的滑移轨道31可以为弧形轨道，也可以为平板轨道或其他形状的轨道；上述每组弧面块体组件423中每个弧面配合块4231和弧面滑动块4232都是成对出现的，每组弧面块体组件423中弧面滑动块4232的数量可以为一个，也可以为多个；每组滑动抗扭块424中滑动抗扭块424的数量可以为一个，也可以为多个；具体均根据实际需要而定。在上述第一种方式中，主梁3和滑移轨道31的形状可以采用任一形式，凸起形成在第一垫板42321上。上述第二种方式中，滑移轨道31的滑动面优选采用平面形式，第一垫板42321和第二垫板4241也均采用平板，以使弧面滑动块4232和滑动抗扭块424与滑移轨道31之间的接触面为平面。

例如，本实施例中如图9至图12所示，采用上述第二种方式实现周向固定，主梁3采用圆筒形结构，滑移轨道31包括均布在主梁3外周的四组L形轨道，每组L形轨道包括相互垂直连接的第一平板轨道311和第二平板轨道312，第一平板轨道311的板面平行于第二方向Y-Y，第二平板轨道312的板面平行与第一方向X-X；每组弧面块体组件423包括相对于第一方向X-X对称设置的两个弧面滑动块4232，且弧面滑动块4232面向主梁3的一面为平面；每组滑动抗扭块424包括相对于第二方向Y-Y对称设置的两个滑动抗扭块424；每个弧面滑动块4232与对应的第一平板轨道311滑动接触，每个滑动抗扭块424与对应的第二平板轨道312滑动接触。

进一步地，每组推进油缸413均包括主推进油缸4131和辅推进油缸4132，辅推进油缸4132的轴线和主梁3的轴线之间的夹角大于主推进油缸4131的轴线和主梁3的轴线之间的夹角。

由于主推进油缸4131的轴线与主梁3的轴线之间的夹角更小，撑靴结构412撑紧在井壁上后，利用主推进油缸4131推动主梁3前进时推进速度更快(此时辅推进油缸4132也会一起动作)；由于辅推进油缸4132的轴线与主梁3的轴线之间的夹角更大，利用辅推进油缸4132进行调向时调向效果更明显(此时主推进油缸4131也会一起动作)，调向速度更快；通过斜向布置的主推进油缸4131和辅推进油缸4132的配合既保证了推进效率又保证了调向效率。每组推进油缸413中的主推进油缸4131的数量和辅推进油缸4132的数量均可以是一个或多个，主推进油缸4131和辅推进油缸4132的倾斜角度也根据需要而定。在主梁3上还会固设有油缸连接座32，油缸连接座32的数量与推进油缸413的组数相同，主推进油缸4131和辅推进油缸4132的端部均与该油缸连接座32铰接。

进一步地，每组撑靴结构412均包括撑靴油缸4121和靴板4122，撑靴油缸4121的第一端与撑靴支撑架411固接，撑靴油缸4121的第二端与靴板4122固接。利用撑靴油缸4121推动靴板4122沿主梁3的径向移动，可以实现靴板4122与井壁之间的撑紧或分离。

在一个优选的实施例中，如图7和图8所示，每组撑靴结构412还包括外箱体4123和内箱体4124，外箱体4123的长度方向沿主梁3的径向设置，外箱体4123与撑靴支撑架411固接；靴板4122位于外箱体4123的外侧，内箱体4124能滑动地穿设在外箱体4123内并与靴板4122固接，撑靴油缸4121的第一端固设在外箱体4123的外表面。

该外箱体4123和内箱体4124一般采用钢结构箱体，外箱体4123、内箱体4124和靴板4122的数量相同。撑靴油缸4121能带动内箱体4124和靴板4122一起径向移动，并使靴板4122撑紧在井壁上。撑紧后，掘进机掘进破岩时，可以利用钢结构的内箱体4124和撑靴油缸4121共同抵抗反扭矩，而并非撑靴油缸4121单独抵抗反扭矩，抵抗反扭矩效果更好，结构更加稳定。

上述的撑靴支撑架411为环形的钢结构框架，上述撑靴结构412的数量至少为两组。根据需要，撑靴结构412的数量也可以多于两组。采用数量较多的撑靴结构412，可以实现大撑紧力小比压，降低撑靴装置41因撑紧力不够造成打滑现象的产生。

每组撑靴结构412可以包含单层撑靴组件4120或多层撑靴组件4120，每层撑靴组件4120包括一个靴板4122和配套数量的撑靴油缸4121，还可以包括一个外箱体4123和一个内箱体4124；当每组撑靴结构412包括至少两层撑靴组件4120时，各层撑靴组件4120沿主梁3的轴线方向间隔布置并均设在撑靴支撑架411上。例如本实施例中，如图7所示，每组撑靴结构412包括两层撑靴组件4120，两层撑靴组件4120分布在撑靴支撑架411的两侧，每层撑靴组件4120包括一外箱体4123、一内箱体4124、一靴板4122和两个撑靴油缸4121，上述轴承422的支座固设在对应外箱体4123的外表面上，对应的两个撑靴油缸4121对称分布在该座体4221的两侧。每组撑靴结构412和主梁3之间均连接有一主推进油缸4131和一辅推进油缸4132，主推进油缸4131的两端分别与油缸连接座32和靠近调向装置42的外箱体4123铰接，辅推进油缸4132的两端分别与油缸连接座32和远离调向装置42的外箱体4123铰接。

另外，推进油缸413的组数与撑靴结构412的组数可以相同，也可以不相同；各组推进油缸413的位置可以与各组撑靴结构412的位置相对应，也可以不对应，只要部分推进油缸413能驱动主梁3和调向支撑架421一起绕第一方向X-X摆动，部分推进油缸413能驱动主梁3绕第二方向Y-Y摆动即可。

例如，本实施例中如图7和图8所示，采用推进油缸413的组数与撑靴结构412的组数相同且位置上下对应，共设有四组撑靴结构412，包括相对于第一方向X-X对称设置的两组第一撑靴结构412′和对于第二方向Y-Y对称设置的两组第二撑靴结构412〞；通过调节这两组第一撑靴结构412′下方的两组推进油缸413的压力差，可以使得调向支撑架421和主梁3共同沿这两个轴承422绕第一方向X-X摆动；通过调节这两组第二撑靴结构412〞下方的两组推进油缸413的压力差，可以使得主梁3和弧面滑动块4232共同沿内圆弧面绕第二方向Y-Y摆动。当然，推进油缸413可以设计为周向均布的五组，或其他组数，本实施例仅为举例说明。

进一步地，本实施例的撑靴推进装置和推进和调向工作原理如下：

撑靴装置41的推进工作原理：

撑靴油缸4121伸出带动内箱体4124和靴板4122向洞壁伸出直至靴板4122接触洞壁并撑紧，主驱动结构2带动刀盘1进行旋转，然后撑靴结构412和调向装置42保持位置不变，主推进油缸4131和辅推进油缸4132共同伸出带动主梁3、主驱动结构2、刀盘1和作业保护平台6一起向下移动。待主推进油缸4131的行程达到最大后，形成一环管片的安装空间，撑靴油缸4121收回，带动内箱体4124和靴板4122远离洞壁，然后主推进油缸4131和辅推进油缸4132共同回收，带动撑靴结构412、调向装置42、支护平台5、第一升降驱动装置54、支撑平台53、管片拼装机51、第一锚杆钻机52、管片顶推油缸531、止浆环升降油缸532和止浆密封环5321一起向下移动。待推进油缸413收回到位后靴板4122重新撑紧井壁，停止推进，进行管片的安装任务。

调向工作原理：

当掘进机姿态倾斜时，需要在推进油缸413和调向装置42的共同作用下使掘进机回到正确姿态。

如图8所示，当掘进机姿态(即主梁3的轴线)绕第一方向X-X摆动倾斜时，通过调节相应的辅助推进油缸413的压力差，主梁3和调向支撑架421共同沿两个轴承422进行转动，使掘进机姿态回正。

如图8所示，当掘进机姿态(即主梁3的轴线)绕第二方向Y-Y摆动倾斜时，通过调节相应的辅助推进油缸413的压力差，主梁3和弧面滑动块4232共同沿弧面配合块4231的内圆弧面进行转动，使掘进机姿态回正。

当掘进机姿态沿其他方向倾斜时，需要在相应的辅助推进油缸413的作用下使主梁3沿弧面配合块4231的内圆弧面和沿两个轴承422分别进行转动，最终使掘进机姿态回正。

在一个优选的实施例中，如图1和图13所示，刀盘1的下部为直径向下渐缩的锥形结构，在锥形结构上设有多个开挖刀具11；在刀盘1的上部周向间隔设有多个扩挖装置12，扩挖装置12能沿刀盘1的径向伸缩移动。刀盘1采用锥形设计，利用斜面溜渣进行出渣，破碎的岩石可以沿刀盘1开挖产生的斜面下溜至导井内，出渣效率高。扩挖装置12可以为铣挖头，也可为滚刀。在掘进期间，根据管片结构，刀盘1上的扩挖装置12适时伸出对井壁进行扩挖，形成管片安装的壁座，用于安装特殊管片环，支撑管片的重量。

在一个可选的实施例中，如图14所示，刀盘1采用平面刀盘1的结构形式，在刀盘1上设有多个开挖刀具11，并在刀盘1上设有至少一个刮渣结构，该刮渣结构例如为刮板运输机13(现有结构)，其长度方向沿刀盘1的径向设置，可以将岩渣刮至导井内。

根据需要，还可以在刀盘1的上方设有临时作业平台21，其为环形平板结构并与主驱动结构2固接，在井壁特别破碎时操作人员可以站在临时作业平台21上进行处理。

整个扩孔式竖井掘进机包括井下掘进设备和地面设备，井下掘进设备包括掘进主机、吊盘后配套和检修平台8。掘进主机用于掘进、推进、管片拼装、管片壁后注浆、管片锚杆支护等功能，其包括上述的刀盘1、主驱动结构2、主梁3、撑靴推进机构4、支护平台5、管片拼装机51、第一锚杆钻机52、止浆密封环5321、管片顶推油缸531、止浆环升降油缸532和作业保护平台6。吊盘后配套作为掘进主机的配套设施，用于管片壁后注浆浆液的存放及泵送、管片在平台之间的转运、管片锚杆的补打作业、以及存放相关配套电气设备、供水设施等；其包括上述的后配套平台7、注浆装置71、管片运输装置72和第二锚杆钻机73。检修平台8悬吊于吊盘后配套的上方，用于井内风水管、管片等检查维护作业。

地面设备包括井架91、第一提升机92和第二提升机93，第一提升机92上的第一悬吊钢丝绳921绕过井架91与后配套平台7相连，吊盘后配套跟随掘进主机的掘进可以通过第一悬吊钢丝绳921间歇性下放实现；第二提升机93上的第二悬吊钢丝绳931绕过井架91与检修平台8相连；检修平台8可以通过第二悬吊钢丝绳931悬吊于吊盘后配套的上方。

综上，本申请的扩孔式竖井掘进机具有如下优点：

(1)采用全机械作业方式，开挖、出渣、支护等为平行作业施工模式，解决传统竖井施工工作条件差、劳动强度大、施工进度慢的问题；

(2)采用刀盘1完成竖井的连续开挖，并设有扩挖装置12，可以对井壁进行有效大范围的机械化扩挖方式，有效对井壁进行超挖进行井壁壁座的施工，保证采用管片支护时与井壁的接触质量和承载安全性。

(3)现有的竖井施工大多采用锚网喷的支护或模板现浇的支护方式，还未有管片拼装的支护方式，本申请创新了竖井井壁支护新方式，采用管片拼装和支护，提高了井壁支护效率。在另一实施例中，根据情况也可调整井壁的支护模式，可采用锚网喷支护或模板现浇的支护方式，并配套相应的作业平台和作业装置，满足井壁的不同支护设计需求。

(4)采用先导洞施工，开挖形成的岩渣直接进入下部巷道，出渣效率更高。

(5)创新了竖井掘进机的支撑和推进模式，在掘进机的姿态倾斜时利用撑靴推进装置可以对其进行调节，保证竖井掘进机的高效破岩和姿态可控；且撑靴推进装置结构简单，操作简便；多撑靴结构412撑紧井壁，实现了大撑紧力小比压，在破碎地层更有优势；十字方向调整的方式，保证了设备调向的灵活性，姿态调整更具优势，调向效果明显。

实施方式二

本申请还提供一种扩孔式竖井掘进机的施工方法，扩孔式竖井掘进机为实施方式一中的扩孔式竖井掘进机，施工方法包括如下步骤：

进行先导洞施工，在地下形成导井；

将撑靴推进机构4撑紧在井壁，主驱动结构2带动刀盘1进行旋转，同时撑靴推进机构4推动主梁3、主驱动结构2和刀盘1一起向下移动，并将产生的推力作用于刀盘1，刀盘1在推力和旋转的共同作用下使岩块破碎，破碎的岩石进入导井内，完成岩渣排放；在掘进期间，井上同步下放管片；

掘进行程满足一环管片的安装空间时，撑靴推进机构4离开井壁，支护平台5随撑靴推进机构4的部分结构一起下移，下移到位后撑靴推进机构4重新撑紧井壁，停止推进，进行管片安装任务；

将管片下放至支护平台5上，通过管片拼装机51的抓取将管片与上一环管片进行连接；该环管片拼装完成后，进行下一循环的掘进作业。

该施工方法的工作原理以及有益效果与实施方式一的扩孔式竖井掘进机相同，在此不再赘述。

以上仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (17)

1.一种扩孔式竖井掘进机，其特征在于，包括从下至上顺序设置的刀盘、主驱动结构和主梁；

所述主驱动结构与所述刀盘连接并能驱动所述刀盘旋转，所述主梁的下端与所述主驱动结构固接；在所述主梁上还套设有呈上下设置的支护平台和撑靴推进机构，在所述支护平台上设有管片拼装机。

2.如权利要求1所述的扩孔式竖井掘进机，其特征在于，

所述扩孔式竖井掘进机还包括作业保护平台以及位于所述作业保护平台上方的后配套平台，所述主梁的上端与所述作业保护平台固接；

所述支护平台与所述主梁能相对周向转动并轴向滑动地连接，在所述撑靴推进机构和所述支护平台之间连接有第一升降驱动装置，用于驱动所述支护平台相对于所述主梁上下升降移动；在所述支护平台上还设有用于固定管片的第一锚杆钻机，在所述后配套平台上设有注浆装置和管片运输装置，所述管片运输装置用于存放地面运送的管片，并能将管片下放至所述支护平台上；所述注浆装置用于对已拼好的管片进行壁后注浆。

3.如权利要求2所述的扩孔式竖井掘进机，其特征在于，

在所述撑靴推进机构的顶部固设有支撑平台，所述第一升降驱动装置的底部与所述支撑平台连接；在所述支撑平台上还设有轴向均竖直设置的管片顶推油缸和止浆环升降油缸，在所述止浆环升降油缸的顶部固设有止浆密封环并能带动所述止浆密封环上下升降移动，所述止浆密封环能顶靠在管片的底部并用于封堵管片浆液；所述管片顶推油缸的顶部能穿过所述止浆密封环，用于在所述管片拼装机拼装管片时对管片进行支撑。

4.如权利要求2所述的扩孔式竖井掘进机，其特征在于，

所述支护平台间隔套设在所述主梁的外侧，在所述第一升降驱动装置和所述支护平台之间设有回转支承机构，所述回转支承机构包括能相对转动的回转外圈和回转内圈，所述回转内圈与所述支护平台固接，第一回转驱动装置与所述回转内圈连接并能驱动所述回转内圈相对于所述回转外圈转动；

所述第一升降驱动装置与所述回转外圈固接，并能通过所述回转外圈驱动所述支护平台沿所述主梁上下升降移动。

5.如权利要求2所述的扩孔式竖井掘进机，其特征在于，

在所述支护平台和所述主梁之间设有静止结构环和旋转结构环，所述静止结构环能轴向滑动并周向固定的套设在所述主梁上，所述旋转结构环能转动地套设在所述静止结构环的外侧并与所述支护平台固接；第一回转驱动装置与所述旋转结构环连接并能驱动所述旋转结构环相对于所述静止结构环转动；

所述第一升降驱动装置的顶部与所述静止结构环固接，并能驱动所述静止结构环沿所述主梁上下升降移动。

6.如权利要求2所述的扩孔式竖井掘进机，其特征在于，

在所述后配套平台上还设有第二锚杆钻机，用对于已拼好的管片进行锚杆补打作业；所述第二锚杆钻机能沿所述后配套平台的周向旋转，并能相对于所述后配套平台上下升降移动。

7.如权利要求6所述的扩孔式竖井掘进机，其特征在于，

在所述后配套平台上设有环形的齿圈，在所述齿圈的环形外缘上沿所述齿圈的周向设置有齿，所述第二锚杆钻机能移动地设置在所述齿圈的顶面上且靠近其环形外缘处；所述第二锚杆钻机上设置有第二回转驱动装置，所述第二回转驱动装置与所述齿圈的环形外缘上的齿之间连接有传动齿轮，以带动所述第二锚杆钻机沿所述齿圈的环形外缘进行周向转动；

在所述后配套平台上固设有滑道机构，所述齿圈能轴向滑动并周向固定的套设在所述滑道机构的外侧；在所述后配套平台的下方固设有支撑盘，在所述支撑盘和所述齿圈之间连接有第二升降驱动装置，所述第二升降驱动装置能驱动所述齿圈沿所述滑道机构上下升降移动。

8.如权利要求2所述的扩孔式竖井掘进机，其特征在于，

所述注浆装置包括浆液存放罐和注浆泵，所述注浆泵与所述浆液存放罐连接，并能将浆液泵送至已拼好的管片的壁后；

所述管片运输装置包括管片运输车和管片下放吊机，所述管片运输车用于存放地面运送的管片，并能将管片平移至靠近所述管片下放吊机的位置，所述管片下放吊机用于将管片下放至所述支护平台上。

9.如权利要求2所述的扩孔式竖井掘进机，其特征在于，

所述后配套平台位于所述作业保护平台的上方并留有一定间隔，用于放置在地面上的第一提升机通过第一悬吊钢丝绳与所述后配套平台连接；或者

所述后配套平台的底部与所述作业保护平台固接。

10.如权利要求2所述的扩孔式竖井掘进机，其特征在于，

在所述后配套平台的上方还设有检修平台，用于放置在地面上的第二提升机通过第二悬吊钢丝绳与所述检修平台连接。

11.如权利要求1所述的扩孔式竖井掘进机，其特征在于，

所述撑靴推进机构包括撑靴装置和调向装置，所述撑靴装置包括环形的撑靴支撑架，所述撑靴支撑架间隔套设在所述主梁的外侧，在所述撑靴支撑架上周向间隔设有多组撑靴结构，所述撑靴结构能沿所述主梁的径向移动并能用于撑紧在井壁上；在所述撑靴支撑架与所述主梁之间周向间隔铰接有多组推进油缸；

所述调向装置位于所述撑靴装置的上方，所述调向装置包括环形的调向支撑架，所述调向支撑架的两侧与所述撑靴装置能转动连接，并能使所述调向支撑架和所述主梁一起绕垂直于所述主梁轴向的第一方向摆动；所述调向支撑架能轴向滑动并周向固定的套设在所述主梁上，并能使所述主梁绕垂直于所述主梁轴向的第二方向摆动，所述第二方向垂直于所述第一方向。

12.如权利要求11所述的扩孔式竖井掘进机，其特征在于，

所述调向支撑架的两端通过对称设置的两个轴承安装在所述撑靴装置上，两个所述轴承的中心连线方向构成所述第一方向；

在所述调向支撑架和所述主梁之间设有两组弧面块体组件，两组所述弧面块体组件相对于所述第二方向对称设置；

每组所述弧面块体组件均包括弧面配合块和弧面滑动块，所述弧面配合块固设在所述调向支撑架上；所述弧面滑动块与所述弧面配合块周向固定并与所述主梁滑动接触；所述弧面配合块上具有内圆弧面，所述弧面滑动块上具有外圆弧面，所述外圆弧面与所述内圆弧面滑动配合。

13.如权利要求11所述的扩孔式竖井掘进机，其特征在于，

每组所述推进油缸均包括主推进油缸和辅推进油缸，所述辅推进油缸的轴线和所述主梁的轴线之间的夹角大于所述主推进油缸的轴线和所述主梁的轴线之间的夹角。

14.如权利要求11所述的扩孔式竖井掘进机，其特征在于，

每组所述撑靴结构均包括撑靴油缸和靴板，所述撑靴油缸的第一端与所述撑靴支撑架固接，所述撑靴油缸的第二端与所述靴板固接。

15.如权利要求14所述的扩孔式竖井掘进机，其特征在于，

每组所述撑靴结构还包括外箱体和内箱体，所述外箱体的长度方向沿所述主梁的径向设置，所述外箱体与所述撑靴支撑架固接；所述靴板位于所述外箱体的外侧，所述内箱体能滑动地穿设在所述外箱体内并与所述靴板固接，所述撑靴油缸的第一端固设在所述外箱体的外表面。

16.如权利要求1所述的扩孔式竖井掘进机，其特征在于，

所述刀盘的下部为直径向下渐缩的锥形结构，在所述锥形结构上设有多个开挖刀具；在所述刀盘的上部周向间隔设有多个扩挖装置，所述扩挖装置能沿所述刀盘的径向伸缩移动。

17.一种如权利要求1至16任一项所述的扩孔式竖井掘进机的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

进行先导洞施工，在地下形成导井；

将所述撑靴推进机构撑紧在井壁，所述主驱动结构带动所述刀盘进行旋转，同时所述撑靴推进机构推动所述主梁、所述主驱动结构和所述刀盘一起向下移动，并将产生的推力作用于所述刀盘，所述刀盘在推力和旋转的共同作用下使岩块破碎，破碎的岩石进入所述导井内，完成岩渣排放；在掘进期间，井上同步下放管片；

掘进行程满足一环管片的安装空间时，所述撑靴推进机构离开井壁，所述支护平台随所述撑靴推进机构的部分结构一起下移，下移到位后所述撑靴推进机构重新撑紧井壁，停止推进，进行管片安装任务；

将管片下放至所述支护平台上，通过所述管片拼装机的抓取将管片与上一环管片进行连接；该环管片拼装完成后，进行下一循环的掘进作业。

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