CN114856556B - 一种自诊断预切孔动态拉剪破岩方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种自诊断预切孔动态拉剪破岩方法及装置，包括如下步骤：a、在待开采掌子面上、沿掌子面周边切槽形成预制缝，在掌子面上、预制缝围合的区域形成待破岩区；b、在待破岩区范围内、沿垂直掌子面的方向开设多个竖直孔，在竖直孔的根部沿竖直孔径向开槽形成直径大于竖直孔直径的环状槽；c、对环状槽的侧壁施加沿竖直孔轴向的、向外的拉力，实现拉剪与高应力联合破岩。本发明实现将传统的压剪破岩改为拉剪与高应力联合破岩，有效提高了破岩效率，降低了能耗，利用了深部岩体自身的高应力，改善了传统以爆破掘进的非连续掘进方式，适用于深部高应力岩体。

Description

一种自诊断预切孔动态拉剪破岩方法及装置

技术领域

本发明涉及一种自诊断预切孔动态拉剪破岩方法及装置。

背景技术

随着开采进入深部，矿岩坚硬、应力高、矿体分散特征显现，使得硬岩切割难、钻爆回采连续作业难、开采扰动诱发岩爆等灾害显现，且常规凿岩钻孔直径大、设备搬移困难、工人手动控制劳动强度大，制约稀有金属的安全高效回收。

而深部资源开采离不开凿岩钻孔，在凿岩钻孔方面，国内专家学者进行了很多相关研究，如西南石油大学的Huang-Kuilin等学者针对PDC钻头，在360°旋转齿和圆盘PDC钻头的基础上，提出了一种旋转模块化PDC钻头，主要研究了不同结构参数下旋转模块元件切削载荷和MSE的变化规律；西南石油大学的Wu-Kaihao等学者以旋切式钻头为研究对象，采用单因素分析法分析了冲击载荷、冲击频率、转速和地层硬度对旋转冲击钻井破岩效率和加速效果的影响。在专利申请方面，专利申请号202010478140.5，名称为“一种硬岩隧道施工方法”，应用板型链锯机构对岩体进行切割，从而达到破岩效果；专利申请号202111383825.2，名称为“一种水射流辅助滚刀钻井装置”，在刀盘研磨刮切的基础上，以水射流为辅助，在刀盘钻进前利用高压水射流开槽造出自由面，从而促进岩石张拉破碎，提升掘进能力；专利申请号CN201920454951.4，名称为“一种地质勘查钻孔成孔设备”，其主要改进了钻头的结构和钻进和取芯一体的成孔工艺，提高钻探速度；专利申请号CN2020110844261，名称为“一种隧道钻孔机器人系统及其控制方法、隧道掘进机”，其主要达到智能连续钻孔作业，提高钻孔一致性，缩短施工周期的目标；又如专利申请号CN2020103193321，名称为“一种智能钻孔机器人”，其主要针对加工车厢或者大型平台所需钻孔，研发的一种智能精确定位钻孔机器人，设备操作便捷，大大降低了人工劳动强度，增强了钻孔的精度，保护了生产车间的环境。所举论文、专利研究多以旋转切削、刮削、研磨切削、新型盾构结构钻孔等方面考虑，破岩方式比较单一，以压剪破岩为主，给深部资源高效开采带来不便；此外，对本领域的技术人员可知，岩石抗压强度要远远大于其抗拉、抗剪强度，深部高应力岩体难凿，切削刀具磨损量大，传统压剪破岩方法已经不适用深部高应力岩体。

发明内容

本发明解决现有技术的不足而提供一种将传统的压剪破岩改为拉剪与高应力联合破岩，有效提高了破岩效率，降低了能耗，利用了深部岩体自身的高应力，改善了传统以爆破掘进非连续掘进方式的自诊断预切孔动态拉剪破岩方法及装置。

为实现上述目的，本发明首先提出了一种自诊断预切孔动态拉剪破岩方法，具体包括如下步骤：

a、在待开采掌子面上、沿掌子面周边切槽形成预制缝，在掌子面上、预制缝围合的区域形成待破岩区；

b、在待破岩区范围内、沿垂直掌子面的方向开设多个竖直孔，在竖直孔的根部沿竖直孔径向开槽形成直径大于竖直孔直径的环状槽，环状槽的开设使得相邻竖直孔之间岩体根部应力状态发生改变形成的大量裂隙；

c、对环状槽的侧壁施加沿竖直孔轴向的、向外的拉力，实现拉剪与高应力联合破岩。

采用上述方法，通过预制缝在待开采掌子面上分割形成待破岩区，然后在待破岩区上钻竖直孔，通过钻设的多个竖直孔改变了待破岩区所在的岩体内应力，使得岩体内的应力集中在相邻竖直孔的岩体根部，同时通过对竖直孔根部扩孔，减小相邻竖直孔的岩体根部的横截面积，这样诱导高应力向相邻竖直孔之间的岩体根部聚集，使得岩体根部裂隙增多，最后通过给对环状槽的侧壁施加沿竖直孔轴向、向外的拉力，实现破岩，这样通过上述步骤协同的作用，为拉破坏创造条件，使得最后只需要一个很小的拉力，即可实现破岩，相比现有的对根部进行涨裂的形式(涨裂是采用对岩石挤压，而由于岩石抗压强度要远远大于其抗拉、抗剪强度，造成要实现涨裂实际能耗相当大，或难以达到预定涨裂深度)，或对根部进行完全切割断裂的形式(完全切割岩体比较困难，一方面，能源消耗也大，另一方面，对切削的刀具磨损量大，成本高)，本方法拉剪破岩大大降低了能耗，提高了破岩效率。

本实施方式中，竖直孔的深度根据当次作业拟开采岩石量确定，所述预制缝的深度与竖直孔的深度相匹配。

本实施方式中，步骤b中，所述环状槽的深度使得相邻竖直孔连通、使得预制缝与竖直孔连通，所述横孔的深度使得相邻竖直孔连通、使得预制缝与竖直孔连通。

本实施方式中，步骤b中，在钻孔的初期，通过应力与岩石质量自诊断系统对钻孔过程进行反馈，应力与岩石质量自诊断系统的数据采集模块同步采集转杆的转速y、钻头打孔深度x和钻头冲击压力Z，同时通过分析声波传感器在岩体内传输的波速v，得出待破岩区高应力S的大小和待破岩区岩体的质量Q，将上述数据代入应力大小与岩体质量函数：

x＝f(S,Q,v)

y＝g(S,Q,v)

z＝w(S,Q,v)

其中，x为钻头打孔深度，y为转杆的转速，z为钻头冲击压力，S为待破岩区高应力大小，Q为待破岩区岩体的质量，v为波速，f、g、w分别为钻头打孔深度x、转杆的转速y、钻头冲击压力z与待破岩区高应力大小S、待破岩区岩体的质量Q、待破岩区岩体传输的波速v的隐函数。

在钻孔的中后期，将应力大小与岩体质量函数中的x、y、z值作为诊断值，将采集模块实时采集的转杆的转速y1、钻头打孔深度x1和钻头冲击压力Z1的作为实际值，将诊断值与实际值比对实现自诊断，当实际值与诊断值偏差较大时，停止作业或警示操作人员。

本申请还包括一种自诊断预切孔动态拉剪破岩装置，包括移动机组、切割机械臂和钻孔机械臂，

所述切割机械臂和钻孔机械臂安装在移动机组上，所述移动机组用于带动切割机械臂和钻孔机械臂实现移动；

所述切割机械臂包括切割伸缩臂、安装在切割伸缩臂伸缩端上的旋转件以及安装在旋转件上的双排链锯机构，所述旋转件带动双排链锯机构绕切割伸缩臂的中心轴旋转；

所述钻孔机械臂包括钻杆和安装在钻杆上的冲击切割钻头，所述冲击切割钻头包括钻头端部和设置在钻头中部的切割滚刀组，

所述切割滚刀组包括切割滚刀、第一伸缩管、第一液压管、第二伸缩管和第二液压管，所述第一液压管和第二液压管分别与气液机组连接，所述第一伸缩管与第一液压管连通，多个所述第一伸缩管以冲击切割钻头旋转中心为中心对称布设在钻头中部，所述第一伸缩管沿径向布设，所述切割滚刀安装在第一伸缩管的活动端上，所述钻头中部对应切割滚刀所在位置设置有与切割滚刀大小相匹配的第一收纳槽，初始状态时，所述切割滚刀和第一伸缩管均收纳在所述第一收纳槽内，工作状态时，所述第一伸缩管伸长带动切割滚刀伸出第一收纳槽；所述切割滚刀的中轴线与冲击切割钻头旋转中心线平行，所述切割滚刀的两侧对称固定有第二伸缩管，所述第二伸缩管通过第二液压管与第一液压管连通；所述第二伸缩管与冲击切割钻头旋转中心线平行布设，所述第二伸缩管的端部固定有支撑板，所述切割滚刀内设有第二收纳槽，所述第二伸缩管安装在第二收纳槽内，初始状态时，所述第二伸缩管收纳在所述第一收纳槽内，工作状态时，所述第二伸缩管伸长带动支撑板伸出第二收纳槽。

上述实施方式中，所述移动机组上还设有固定液压支架和可移动液压支架，所述移动机组的尾端布设有两个固定液压支架，前端布设有两个可移动液压支架，所述固定液压支架的底部设置支撑座，所述可移动液压支架的底部设置有行走轮。

上述实施方式中，所述切割机械臂和钻孔机械臂布设有多个，多个切割机械臂沿掌子面水平并排布设。

上述实施方式中，所述双排链锯机构由两个链锯机构并排布设而成，两个链锯机构的切割面平行布设，且两个链锯机构之间设有间距，间距的大小与预设的切缝的宽度相匹配。设置双排链锯机构切割效率要比单排高。

上述实施方式中，还包括应力与岩石质量自诊断系统，所述应力与岩石质量自诊断系统包括给钻杆提供动力的动力模块、数据采集模块以及安装在钻杆内的转速传感器、振动传感器、深度传感器和压力传感器，所述数据采集模块与所述转速传感器、振动传感器、深度传感器和压力传感器连接，所述数据采集模块中设有处理器和检波器，所述处理器根据检波器、转速传感器、振动传感器、深度传感器采集以及压力传感器的数据计算出岩体特征参数，

在钻孔的初期，通过应力与岩石质量自诊断系统对钻孔过程进行反馈，应力与岩石质量自诊断系统的数据采集模块同步采集转杆的转速y、钻头打孔深度x和钻头冲击压力Z，同时通过分析声波传感器在岩体内传输的波速v，得出待破岩区高应力S的大小和待破岩区岩体的质量Q，将上述数据代入应力大小与岩体质量函数：

x＝f(S,Q,v)

y＝g(S,Q,v)

z＝w(S,Q,v)

其中，x为钻头打孔深度，y为转杆的转速，z为钻头冲击压力，S为待破岩区高应力大小，Q为待破岩区岩体的质量，v为波速，f、g、w分别为钻头打孔深度x、转杆的转速y、钻头冲击压力z与待破岩区高应力大小S、待破岩区岩体的质量Q、待破岩区岩体传输的波速v的隐函数。

在钻孔的中后期，将应力大小与岩体质量函数中的x、y、z值作为诊断值，将采集模块实时采集的转杆的转速y1、钻头打孔深度x1和钻头冲击压力Z1的作为实际值，将诊断值与实际值比对实现自诊断，当实际值与诊断值偏差较大时，停止作业或警示操作人员。

由于采用上述结构，本发明具有如下优点：

1、变传统钻孔装药爆破方式为全机械化采掘，设备不用全断面全部切割，只需预制孔与预制缝，既提高了现场施工的环境质量，又可减少掘进工作量、降低设备耗能，从而提高生产的效率，进一步为矿山自动化开采的未来发展注入新活力；

2、本装置的切割机械臂，可以切割不同形状的巷道周边断面，如矩形周边断面、圆形周边断面、半圆形周边断面等；

3、本装置设置多个冲击切割钻头同时作业，一方面，在增加工作效率的同时可在孔底部径向进行切割，为后续岩体拉破坏提供切割自由面，另一方面，增加了设备对岩体的压力，而岩体质量不变，从而降低了单位岩体破裂所需压力，改变了受力特性；

4、设置应力与岩石质量自诊断系统，提高了该破岩设备自诊断的精度，使设备在第一组钻进的过程中即可获取自诊断结果，根据自诊断结果可“因地制宜”地得出合理的打孔深度、旋转速度以及冲击压力。

综上所述，通过切割机械臂和钻孔机械臂协同工作，可以实现预制缝的切割、竖直孔的开设，通过钻孔机械臂上的切割滚刀组，一方面，可以实现在竖直孔内沿竖直孔径向的开环状槽，另一方面还可以利用切割滚刀上的支撑板的顶升实现对环状槽内壁轴向的顶压，同时还可以控制钻孔机械臂回缩，也可以实现对环状槽的侧壁施加轴向的拉力，从而实现了拉剪与高应力联合破岩，有效提高了破岩效率，降低了能耗，利用了深部岩体自身的高应力，改善了传统以爆破掘进的非连续掘进方式，适用于深部高应力岩体。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明带切割滚刀组的冲击切割钻头示意图；

图3为本发明带切割滚刀组的冲击切割钻头的内部示意图；

图4为本发明的切割滚刀组的工作原理图；

图5为本发明双排链锯机构的正、俯视图以及局部放大图；

图6为本发明的预制缝形式一图；

图7为本发明通过切割滚刀组的破岩图；

图8为本发明预制缝形式二图；

图9为本发明切割滚刀的结构示意图；

图10为本发明切割滚刀的内部结构示意图；

图11为本发明支撑结构的结构示意图；

图12为本发明支撑结构的工作原理图。

图中，1、控制机组；2、发动机组；3、气液机组；3-1、风管接口；3-2、水管接口；4、移动机组；5、切割机械臂；5-1、旋转件；5-2、切割伸缩臂；6、钻孔机械臂；7、固定液压支架；8、可移动液压支架；9、液压支撑杆；10、双排链锯机构；10-1、液压伸缩装置；10-1、链锯机构；11、钻杆；11-1、钻速传感器；11-2、振动传感器；11-3、压力传感器；11-4、内套筒；11-4-1、支撑杆；11-5、外套筒；11-5-1、齿板；12、冲击切割钻头；12-2、切割滚刀组；12-2-1、切割滚刀；12-2-1-1、第二液压支撑结构；12-2-1-2、第二伸缩管；12-2-1-3、支撑板；12-2-1-4、第二液压管；12-2-2、第一液压支撑结构；12-2-3、第一液压管；12-2-4、第一伸缩管；13、应力与岩石质量自诊断系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1：

如图6-10所示，本发明包括，一种自诊断预切孔动态拉剪破岩方法，具体包括如下步骤：

a、在待开采掌子面上、沿掌子面周边切槽形成预制缝，在掌子面上、预制缝围合的区域形成待破岩区；

b、在待破岩区范围内、沿垂直掌子面的方向开设多个竖直孔，在竖直孔的根部沿竖直孔径向开槽形成直径大于竖直孔直径的环状槽，所述环状槽的深度使得相邻竖直孔连通、使得预制缝与竖直孔连通，所述横孔的深度使得相邻竖直孔连通、使得预制缝与竖直孔连通，环状槽的开设使得相邻竖直孔之间岩体根部应力状态发生改变形成的大量裂隙；

c、对环状槽的侧壁施加沿竖直孔轴向的、向外的拉力，实现拉剪与高应力联合破岩。

上述方法中，竖直孔的深度根据当次作业拟开采岩石量确定，所述预制缝的深度与竖直孔的深度相匹配。

步骤b钻孔时，通过应力与岩石质量自诊断系统采集的各项数据自诊断其应力状态与岩体质量，给出合理的打孔深度、旋转速度、冲击压力及破岩方式。

实施例2：

如图1至12所示，本发明还包括一种自诊断预切孔动态拉剪破岩装置，包括控制机组1、发动机组2、气液机组3、移动机组4、切割机械臂5、钻孔机械臂6、固定液压支架7、可移动液压支架8以及应力与岩石质量自诊断系统13；

所述发动机组2、气液机组3外设有风管接口3-1、水管接口3-2、切割机械臂5、钻孔机械臂6；

所述移动机组4由发动机组2供能并控制前后左右移动以及转向移动；

如图5所示，所述切割机械臂5的一端铰接在移动机组4上，另一端部通过液压支撑杆9支撑移动机组4，液压支撑杆9通过气液机组3提供液压油；所述切割机械臂5可以设置1个或多个，当设有多个切割机械臂时，切割机械臂沿掌子面平行方向并排布置，切割机械臂5具体布置数量根据该破岩设备的宽度与工程需要而定；所述切割机械臂5包括旋转件5-1、切割伸缩臂5-2和双排链锯机构10；所述旋转件5-1与双排链锯机构10相连；所述双排链锯机构10由两个链锯机构10-1并排布设而成，两个链锯机构的切割面平行布设，且两个链锯机构之间设有间距，间距的大小与预设的切缝的宽度相匹配；

其中，所述旋转件5-1带动双排链锯机构绕切割伸缩臂的中心轴旋转，所述液压支撑杆9用于控制双排链锯机构10竖直方向移动；双排链锯机构10横向通过移动机组4带动，切割伸缩臂5-2可实现双排链锯机构10的切入与回缩；

如图2、3、4、9、10所示，所述钻孔机械臂6包括钻杆11和安装在钻杆11上的冲击切割钻头12，所述冲击切割钻头12包括钻头端部12-1和设置在钻头中部的切割滚刀组12-2，所述钻头端部12-1包括压剪齿头12-1-1和出水口12-1-2；钻头端部12-1为实体结构，所述钻头中部为半中空结构，所述切割滚刀组12-2设于钻头中部的内部；

所述切割滚刀组12-2包括切割滚刀12-2-1、第一液压支撑结构12-2-2、第一液压管12-2-3、第二液压支撑结构12-2-1-1、第二伸缩管12-2-1-2、支撑板12-2-1-3和第二液压管12-2-1-4，所述第一液压管12-2-3和第二液压管12-2-1-4分别与气液机组连接，所述第一伸缩管12-2-4与第一液压管12-2-3连通，所述第一伸缩管12-2-4通过第一液压支撑结构12-2-2支撑在冲击切割钻头12的旋转中心轴上，四个所述第一伸缩管12-2-4以冲击切割钻头12旋转中心为中心对称布设在钻头中部，所述第一伸缩管12-2-4沿径向布设，所述切割滚刀12-2-1安装在第一伸缩管12-2-4的活动端上，所述钻头中部对应切割滚刀12-2-1所在位置设置有与切割滚刀12-2-1大小相匹配的第一收纳槽，初始状态时，所述切割滚刀12-2-1和第一伸缩管12-2-4均收纳在所述第一收纳槽内，工作状态时，所述第一伸缩管12-2-4伸长带动切割滚刀12-2-1伸出第一收纳槽；

所述切割滚刀12-2-1的中轴线与冲击切割钻头12旋转中心线平行，所述切割滚刀12-2-1的两侧通过第二液压支撑结构12-2-1-1对称固定有第二伸缩管12-2-1-2，所述第二伸缩管12-2-1-2通过第二液压管12-2-1-4与第一液压管12-2-3连通；所述第二伸缩管12-2-1-2与冲击切割钻头12旋转中心线平行布设，所述第二伸缩管12-2-1-2的端部固定有支撑板12-2-1-3，所述切割滚刀12-2-1内设有第二收纳槽，所述第二伸缩管12-2-1-2安装在第二收纳槽内，初始状态时，所述第二伸缩管12-2-1-2收纳在所述第一收纳槽内，工作状态时，所述第二伸缩管12-2-1-2伸长带动支撑板12-2-1-3伸出第二收纳槽；

进一步的，所述钻孔机械臂6可以设置有3个或大于3个组合；

本装置的切割滚刀组12-2工作时，由控制机组1控制第一液压支撑结构12-2-2使切割滚刀12-2-1往外伸张并与岩体接触，实现旋转切割，形成环状槽；而需要给切割后的环状槽施加轴向拉力时，通过切割滚刀上的第二液压支撑结构12-2-1-1和第二伸缩管12-2-1-2控制支撑板的顶升实现对环状槽内壁轴向的顶压，达到破岩的作用。

本实施例中，所述移动机组4上还设有固定液压支架7和可移动液压支架8，所述移动机组4的尾端布设有两个固定液压支架7，前端布设有两个可移动液压支架8，所述固定液压支架7的底部设置支撑座，所述可移动液压支架8的底部设置有行走轮，所述可移动液压支架可辅助所述破岩设备转向与切割机械臂5横向的调控；当本装置需要转向移动时，需要先控制2个可移动液压支架8回缩复位，然后控制移动机组4工作，通过履带双流传动原理(现有技术不再赘述)，驱使破岩设备转向移动；当破岩设备需要前后移动时，控制可移动液压支架8回缩复位的同时，将另外2个固定液压支架7也回缩复位，再控制移动机组4工作驱使破岩设备前后移动。

本实施例中，所述发动机组2与气液机组3外设有风管接口3-1与水管接口3-2，接通水管后，可用于施工期间持续供水，实现降温、防尘、减少器械耗损以及排渣的作用；接通风管后，由于气动与液压共同作用，为钻头工作时提供冲击力。

本装置还包括应力与岩石质量自诊断系统，所述应力与岩石质量自诊断系统包括给钻杆提供动力的动力模块、数据采集模块以及安装在钻杆内的转速传感器、振动传感器、深度传感器和压力传感器，所述数据采集模块与所述转速传感器、振动传感器、深度传感器和压力传感器连接，所述数据采集模块中设有处理器和检波器，所述处理器根据检波器、转速传感器、振动传感器、深度传感器采集以及压力传感器的数据计算出岩体特征参数，并基于所述岩体特征参数采用岩体特征指标的计算模型得到岩体特征指标，

应力与岩石质量自诊断系统13根据各项数据综合判断其岩性的好坏，再根据岩性给出破岩设备所需的合理的打孔深度、旋转速度以及冲击压力，实现自诊断措施。应力与岩石质量自诊断系统的采用的是中国专利CN111855961B，名称为“一种岩体钻进质量检测方法、钻机、服务器、存储介质”中公开的岩体钻进质量检测方法，其提供的岩体钻进质量检测方法可以能够快速、准确地获取到岩体的质量评估结果，

应用到本申请中，在钻孔的初期，通过应力与岩石质量自诊断系统对钻孔过程进行反馈，应力与岩石质量自诊断系统的数据采集模块同步采集转杆的转速y、钻头打孔深度x和钻头冲击压力Z，同时通过分析声波传感器在岩体内传输的波速v，得出待破岩区高应力S的大小和待破岩区岩体的质量Q，将上述数据代入应力大小与岩体质量函数：

x＝f(S,Q,v)

y＝g(S,Q,v)

z＝w(S,Q,v)

其中，x为钻头打孔深度，y为转杆的转速，z为钻头冲击压力，S为待破岩区高应力大小，Q为待破岩区岩体的质量，v为波速，f、g、w分别为钻头打孔深度x、转杆的转速y、钻头冲击压力z与待破岩区高应力大小S、待破岩区岩体的质量Q、待破岩区岩体传输的波速v的隐函数。

在钻孔的中后期，将应力大小与岩体质量函数中的x、y、z值作为诊断值，将采集模块实时采集的转杆的转速y1、钻头打孔深度x1和钻头冲击压力Z1的作为实际值，将诊断值与实际值比对实现自诊断，当实际值与诊断值偏差较大时，停止作业或警示操作人员。

所述切割机械臂5端部的双排链锯机构10将对巷道周边进行切割预制缝，形成自由面；进一步地，通过旋转件5-1、液压支撑杆9、可移动液压支架8及移动机组4的调控，保证切割机械臂5全方位的改变切割方向，避免因为不利或灾害地形而影响作业，达到安全掘进的目标。

本实施例中装置具体的施工步骤如下：

a、控制机组1控制移动机组4移动至工作区域，再控制固定液压支架7和可移动液压支架8向外伸张与地面紧密接触，使整体实现固定效果；

b、接入风管、水管，控制机组1控制切割机械臂5上的双排链锯机构10向工作面预先切缝，通过控制液压支撑杆9实现竖直方向的切割，再通过移动机组4实现横向的切割，在掌子面上、切割后的预制缝围合的区域形成待破岩区，切割深度设为1～2m，如图1、图6所示，双排链锯机构预制缝完成后，再由控制机组1控制切割机械臂5退后，恢复至原始位置；

c、将冲击切割钻头12接入钻杆11中，控制机组1再控制发动机组2与气液机组3给钻孔机械臂6提供旋转力与水平冲击力，通过旋转与水平冲击力相互作用，冲击切割钻头12与岩体作用发生压剪破坏，使钻头端部12-1往前推进，实现在待破岩区上竖直孔的开设；

d、当钻头端部12-1钻入钻孔底部后，控制机组1控制切割滚刀组12-2进行垂直于钻孔方向的切割，形成环状槽，如图7所示，本实施例中，切割深度设为1～2m；

e、当冲击钻头预制孔全部打设完毕后，控制冲击切割钻头12重新进入竖直孔，启动切割滚刀组12-2重新进入开设的环状槽，然后控制切割滚刀上的支撑板的顶升实现对环状槽内壁轴向的顶压，使预破岩体受力变为剪切与拉伸状态，实现拉剪破岩，并完成一次掘进循环。

f、在施工期间所接水管会持续供水，实现降温、防尘、减少器械耗损的作用，往前推进凿下的岩石经过水与钻头的旋转、冲击共同作用，随着钻孔排出。

实施例3：

如图1、11、12所示，本实施例与实施例2不同之处在于，钻杆11外设有内套筒11-4和外套筒11-5，所述内套筒11-4固定在钻杆11外侧，所述外套筒11-5以钻杆11的中心轴为中心、沿周向均匀分割为四块外套板，所述外套板通过液压伸缩支撑杆11-4-1固定在内套筒11-4外侧，外套板的外侧面设有齿板11-5-1，齿板11-5-1上的齿沿钻杆回缩方向倾斜，在钻进时，所述外套板收缩靠近内套筒，在钻杆外拔时，控制多个液压伸缩支撑杆11-4-1向外伸张，从而驱使外套板带动齿板11-5-1向外移动扩张，紧密抵靠在围岩体上，再通过第二液压管12-2-1-4控制第二伸缩管12-2-1-2使支撑板12-2-1-3与径向切割岩壁完全接触并给一个扩张的力，实现扩张力+外拔力+倒齿外拔力三项力共同作用，进一步减少切割滚刀轴的耗损。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种自诊断预切孔动态拉剪破岩方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

a、在待开采掌子面上、沿掌子面周边切槽形成预制缝，在掌子面上、预制缝围合的区域形成待破岩区；

b、在待破岩区范围内、沿垂直掌子面的方向开设多个竖直孔，在竖直孔的根部沿竖直孔径向开槽形成直径大于竖直孔直径的环状槽，环状槽的开设使得相邻竖直孔之间岩体根部应力状态发生改变形成的大量裂隙；

c、对环状槽的侧壁施加沿竖直孔轴向的、向外的拉力，实现拉剪与高应力联合破岩。

2.根据权利要求1所述的自诊断预切孔动态拉剪破岩方法，其特征在于：竖直孔的深度根据当次作业拟开采岩石量确定，所述预制缝的深度与竖直孔的深度相匹配。

3.根据权利要求1所述的自诊断预切孔动态拉剪破岩方法，其特征在于：所述环状槽的深度使得相邻竖直孔连通、使得预制缝与竖直孔连通，所述横孔的深度使得相邻竖直孔连通、使得预制缝与竖直孔连通。

4.根据权利要求1所述的自诊断预切孔动态拉剪破岩方法，其特征在于：步骤b中，在钻孔的初期，通过应力与岩石质量自诊断系统对钻孔过程进行反馈，应力与岩石质量自诊断系统的数据采集模块同步采集转杆的转速y、钻头打孔深度x和钻头冲击压力Z，同时通过分析声波传感器在岩体内传输的波速v，得出待破岩区高应力S的大小和待破岩区岩体的质量Q，将上述数据代入应力大小与岩体质量函数：

x＝f(S,Q,v)

y＝g(S,Q,v)

z＝w(S,Q,v)

其中，x为钻头打孔深度，y为转杆的转速，z为钻头冲击压力，S为待破岩区高应力大小，Q为待破岩区岩体的质量，v为波速，f、g、w分别为钻头打孔深度x、转杆的转速y、钻头冲击压力z与待破岩区高应力大小S、待破岩区岩体的质量Q、待破岩区岩体传输的波速v的隐函数，

在钻孔的中后期，将应力大小与岩体质量函数中的x、y、z值作为诊断值，将采集模块实时采集的转杆的转速y1、钻头打孔深度x1和钻头冲击压力Z1的作为实际值，将诊断值与实际值比对实现自诊断，当实际值与诊断值偏差较大时，停止作业或警示操作人员。

5.一种自诊断预切孔动态拉剪破岩装置，其特征在于：包括移动机组、切割机械臂和钻孔机械臂，

所述切割机械臂和钻孔机械臂安装在移动机组上，所述移动机组用于带动切割机械臂和钻孔机械臂实现移动；

所述切割机械臂包括切割伸缩臂、安装在切割伸缩臂伸缩端上的旋转件以及安装在旋转件上的双排链锯机构，所述旋转件带动双排链锯机构绕切割伸缩臂的中心轴旋转；

所述钻孔机械臂包括钻杆和安装在钻杆上的冲击切割钻头，所述冲击切割钻头包括钻头端部和设置在钻头中部的切割滚刀组，

所述切割滚刀组包括切割滚刀、第一伸缩管、第一液压管、第二伸缩管和第二液压管，所述第一液压管和第二液压管分别与气液机组连接，所述第一伸缩管与第一液压管连通，多个所述第一伸缩管以冲击切割钻头旋转中心为中心对称布设在钻头中部，所述第一伸缩管沿径向布设，所述切割滚刀安装在第一伸缩管的活动端上，所述钻头中部对应切割滚刀所在位置设置有与切割滚刀大小相匹配的第一收纳槽，初始状态时，所述切割滚刀和第一伸缩管均收纳在所述第一收纳槽内，工作状态时，所述第一伸缩管伸长带动切割滚刀伸出第一收纳槽；所述切割滚刀的中轴线与冲击切割钻头旋转中心线平行，所述切割滚刀的两侧对称固定有第二伸缩管，所述第二伸缩管通过第二液压管与第一液压管连通；所述第二伸缩管与冲击切割钻头旋转中心线平行布设，所述第二伸缩管的端部固定有支撑板，所述切割滚刀内设有第二收纳槽，所述第二伸缩管安装在第二收纳槽内，初始状态时，所述第二伸缩管收纳在所述第一收纳槽内，工作状态时，所述第二伸缩管伸长带动支撑板伸出第二收纳槽。

6.根据权利要求5所述的自诊断预切孔动态拉剪破岩装置，其特征在于：所述移动机组上还设有固定液压支架和可移动液压支架，所述移动机组的尾端布设有两个固定液压支架，前端布设有两个可移动液压支架，所述固定液压支架的底部设置支撑座，所述可移动液压支架的底部设置有行走轮。

7.根据权利要求5所述的自诊断预切孔动态拉剪破岩装置，其特征在于：所述切割机械臂和钻孔机械臂布设有多个，多个切割机械臂沿掌子面水平并排布设。

8.根据权利要求5所述的自诊断预切孔动态拉剪破岩装置，其特征在于：所述双排链锯机构由两个链锯机构并排布设而成，两个链锯机构的切割面平行布设，且两个链锯机构之间设有间距，间距的大小与预设的切缝的宽度相匹配。

9.根据权利要求5所述的自诊断预切孔动态拉剪破岩装置，其特征在于：还包括应力与岩石质量自诊断系统，所述应力与岩石质量自诊断系统包括给钻杆提供动力的动力模块、数据采集模块以及安装在钻杆内的转速传感器、振动传感器、深度传感器和压力传感器，所述数据采集模块与所述转速传感器、振动传感器、深度传感器和压力传感器连接，所述数据采集模块中设有处理器和检波器，

在钻孔的初期，通过应力与岩石质量自诊断系统对钻孔过程进行反馈，应力与岩石质量自诊断系统的数据采集模块同步采集转杆的转速y、钻头打孔深度x和钻头冲击压力Z，同时通过分析声波传感器在岩体内传输的波速v，得出待破岩区高应力S的大小和待破岩区岩体的质量Q，将上述数据代入应力大小与岩体质量函数：

x＝f(S,Q,v)

y＝g(S,Q,v)

z＝w(S,Q,v)

其中，x为钻头打孔深度，y为转杆的转速，z为钻头冲击压力，S为待破岩区高应力大小，Q为待破岩区岩体的质量，v为波速，f、g、w分别为钻头打孔深度x、转杆的转速y、钻头冲击压力z与待破岩区高应力大小S、待破岩区岩体的质量Q、待破岩区岩体传输的波速v的隐函数，

在钻孔的中后期，将应力大小与岩体质量函数中的x、y、z值作为诊断值，将采集模块实时采集的转杆的转速y1、钻头打孔深度x1和钻头冲击压力Z1的作为实际值，将诊断值与实际值比对实现自诊断，当实际值与诊断值偏差较大时，停止作业或警示操作人员。

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