CN115163104B - 一种基于水力超前预裂钻杆推送装置、综掘机及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水力超前预裂钻杆推送装置、综掘机及施工方法，涉及巷道快速成巷技术领域，解决现有综掘机升降平台安装位置固定，设备体积庞大而导致难以实现协同工作、利用率低且不能合理利用永久保护时间的技术问题，本发明包括转动安装在综掘机上的钻杆推送装置，其中钻杆推送装置包括滑轨梁、滑动连接在滑轨梁上方的钻杆夹具、滑动连接在滑轨梁下方的固定装置，钻杆夹具与钻具配合安装，钻具上接通有高压水管，结合水力超前预裂技术并合理安排综掘机的施工方法，从而提高了各部件协同工作的灵活度，达到了合理利用永久支护时间的目的，本发明具有结构简单紧凑、协同灵活度高的优点。

Description

一种基于水力超前预裂钻杆推送装置、综掘机及施工方法

技术领域

本发明涉及巷道快速成巷技术领域，更具体的是涉及一种基于水力超前预裂钻杆推送装置、综掘机及施工方法。

背景技术

煤矿巷道的快速掘进是实现煤矿采掘均衡、高效生产的关键制约因素。目前，国内外煤矿巷道掘进技术，主要为钻眼爆破法和综合机械化掘进法，综合机械化掘进法机械化程度高、生产效率高、劳动强度小、安全性好、掘进速度快；但是适应能力较差，主要用于煤巷或软岩巷道的掘进，对于硬岩巷道，一般采用钻眼爆破法掘进，而钻眼爆破法存在安全性差、工序多、速度慢、机械化程度低、劳动强度大等问题。硬岩巷道快速掘进成为我国煤矿快速掘进的技术瓶颈。

在传统的巷道掘进施工中，受施工作业空间限制，掘进与支护速度难以匹配，综掘机开机率低、破岩能力受限，需要一种提高综掘机利用率、合理利用永久支护时间的施工方法。

水力压裂技术是通过向钻孔注入高压水，当水压超过一定阈值时，钻孔孔壁产生张拉裂隙，通过持续加压使裂隙不断扩展的技术；合理运用该技术对坚硬岩层进行超前预裂，可弱化岩层物性，相对提升综合机械化掘进法的破岩能力，较于钻眼爆破法也更加安全；将水力压裂技术与综合机械化掘进法有机融合，可实现坚硬岩层安全、快速、高效掘进，有利于我国巷道掘进技术的发展。目前面临的问题是要实施水力压裂技术与综合机械化掘进涉及多台大型设备，而巷道掘进施工作业空间十分有限，缺少一套功能完备、“集成度”高的技术装备，即亟需一种基于水力超前预裂钻杆推送装置、综掘机及施工方法。

现有技术中，CN202210419211.3公开了一种钻－压－掘一体化硬岩掘进设备，通过将钻机系统和水压系统安装在掘进机上，来作为以掘进机为主体的钻－压－掘一体化掘进设备，以实现提高掘进工程的工作效率的问题，但是在钻机系统在进行向前推送钻孔的过程中，是通过滑轨下方两个升降台来控制钻机系统升高、下降和旋转的过程的，并且升降台是固定的液压缸，是固定安装在机架上面的，使得安装位置较为固定，导致安装好后的设备体积庞大，且操作空间不灵活，其中钻机俯仰角的调整是通过钻臂下方的微调支臂来实现的，但是在实际进行永久支护的时候，因设备操作空间不灵活，因此很难实现升高、下降、以及钻机俯仰角微调整协同工作。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决上述现有综掘机升降平台安装位置固定，设备体积庞大而导致难以实现协同工作、灵活度低且不能合理利用永久支护时间的技术问题，本发明提供一种基于水力超前预裂钻杆推送装置、综掘机及施工方法；

在第一个方面，本发明提供了一种基于水力超前预裂钻杆推送装置，包括滑轨梁、滑动连接在滑轨梁上方的钻杆夹具、滑动连接在滑轨梁下方的固定装置，

所述钻杆夹具的一端部与第四伸缩油缸的一端连接，所述第四伸缩油缸的另一端与滑轨梁的竖直端部连接；

所述固定装置的下方固定连接有第二铰接点，所述第二铰接点位于第三伸缩油缸与固定装置的配合处；

所述第三伸缩油缸的一端与滑轨梁下方设置的第一铰接点铰接；

所述固定装置远离第三伸缩油缸的一端与铰接梁的一端铰接，所述铰接梁的另一端与旋转底座铰接；

所述旋转底座上设置有第五铰接点，所述第五铰接点与第一伸缩油缸的一端连接，所述第一伸缩油缸的另一端与第四铰接点铰接；

所述第四铰接点设置铰接梁的一侧，且所述铰接梁的另一侧设置有第三铰接点，所述第三铰接点与第二伸缩油缸的一端铰接，所述第二伸缩油缸的另一端与第二铰接点铰接。

进一步的，所述滑轨梁的竖直端部上安装有限位装置，所述限位装置上设有沿钻杆夹具轴线方向上同轴设置的安装孔；

进一步的，所述限位装置的高度与钻杆夹具的高度一致；

进一步的，所述钻杆夹具的夹具孔大小可调。

在第二个方面，本发明提供了一种综掘机，包括钻杆推送装置，所述钻杆推送装置通过旋转底座转动安装在综掘机顶部，所述综掘机顶部上还安装有高压水泵，所述高压水泵上接通高压水管，所述高压水管接入到钻具，所述钻具穿入所述限位装置上的安装孔与钻杆夹具配合安装。

进一步的，所述综掘机上还安装有存储钻具的储杆箱；

进一步的，所述钻具包括可拆卸连接的钻进钻杆、螺杆钻杆、压裂钻杆以及压裂封孔器；

在第三个方面，本发明提供一种综掘机的施工方法，包括如下步骤：

S1：首先根据岩性、作业方式以及巷道设计断面尺寸，确定水力超前预裂区域(预裂深度、预裂钻孔断面布置)；

S2：根据水力超前预裂区域，进行水力预裂钻孔布置，布孔完成后进行钻孔施工，同时进行巷道永久支护；

S3：钻孔施工完成后，进行钻孔质量验收，质量合格后对钻孔进行依次水力超前预裂；

S4：水力超前预裂后，进行验收，质量合格后进行综掘机掘进直至下一循环。

进一步的，所述预裂深度根据巷道掘进进尺与永久支护进尺匹配关系确定，预裂钻孔断面由巷道设计断面轮廓线向内偏移0.4-0.6m得到；

进一步的，所述钻孔质量验收包括钻孔间距、钻孔直径、钻孔深度、钻孔角度。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

1、本发明通过在钻杆推送装置上设置了与现有技术中不同的运动机构，并配合具有上、下两个滑轨的滑轨梁配合运动，能使综掘机能实现协同调节高度、钻具水平作业距离以及钻具作业角度，具有结构简单紧凑的优点，能在有限的空间内灵活调整运动轨迹，在永久支护作业过程中以达合理利用永久保护时间的效果。

2、本发明通过在滑轨梁的竖直端部上安装了限位装置，能实现对钻杆夹具进行装替钻具时更好的定位，以此达到保障综掘机在作业时的稳定性和安全性。

3、本发明通过将推送装置上的旋转底座转动安装在综掘机的顶部，并将安装在综掘机上的高压水泵与接入到钻具中的高压水管连接，并将钻具安装在钻杆夹具上，能使综掘机实现多方位的作业，并运用水力超前预裂技术实现对硬岩层进行安全、快速、高效掘进的效果。

4、本发明通过在综掘机上设置了一个储杆箱，在将钻杆夹具上的钻具拆卸下来的时候能存放在储杆箱中，避免杂乱摆放，进一步高效利用了有限的作业空间。

5、本发明对综掘机安排了施工方法，并运用水力压裂技术对坚硬岩体进行超前预裂、同时进行永久支护，弱化岩层物性、缩短掘进破岩占时，相对提升综掘机破岩能力，将定向钻进、水力压裂以及综合机械化掘进等装备技术集成、融合，实现在坚硬煤岩层单巷掘进中、有限作业空间内快速机械化掘进的效果。

附图说明

图1是本发明的机载钻杆推送装置的结构示意图；

图2是本发明的综掘机的结构示意图；

图3是本发明的综掘机的施工示意图。

附图标记：1－综掘机；2－钻杆推送装置；201－旋转底座；202－铰接梁；203－第一伸缩油缸；204－固定装置；205－第二伸缩油缸；206－第三伸缩油缸；207－滑轨梁；208－限位装置；209－第四伸缩油缸；210－钻杆夹具；3－钻具；301－钻进钻杆；302－螺杆钻杆；303－压裂钻杆；304－压裂封孔器；4－高压水管；5－高压水泵；6－储杆箱；a－第一铰接点；b－第二铰接点；c－第三铰接点；d－第四铰接点；e－第五铰接点。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

在本发明的描述中，当表示某个部分与其他“连接”时，这不仅包括直接连接的情况，还包括间接连接的情况，间接连接包括通过无线通信网进行的连接。

在本发明的描述中，当表示某个部件位于其他部件“上”、“下”时，这不仅包括某个部件与其他部件接触的情况，还包括在两个部件之间存在其他部件的情况。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

具体如图1所示，本实施例提供一种基于水力超前预裂钻杆推送装置2，

从各个部件的连接关系上：包括滑轨梁207、滑动连接在滑轨梁207上方的钻杆夹具210、滑动连接在滑轨梁207下方的固定装置204，钻杆夹具210的一端部与第四伸缩油缸209的一端连接，第四伸缩油缸209的另一端与滑轨梁207的竖直端部连接，固定装置204的下方固定连接有第二铰接点b，所述第二铰接点b位于第三伸缩油缸与固定装置的配合处，第三伸缩油缸的一端与滑轨梁207下方设置的第一铰接点a铰接，固定装置204远离第三伸缩油缸的一端与铰接梁202的一端铰接，铰接梁202的另一端与旋转底座201铰接，旋转底座201上设置有第五铰接点e，第五铰接点e与第一伸缩油缸203的一端连接，第一伸缩油缸203的另一端与第四铰接点d铰接，第四铰接点d设置铰接梁202的一侧，且铰接梁202的另一侧设置有第三铰接点c，第三铰接点c与第二伸缩油缸205的一端铰接，所述第二伸缩油缸205的另一端与第二铰接点b铰接。

作为本发明的优选方案，滑轨梁207的竖直端部上安装有限位装置208，限位装置208上设有沿钻杆夹具210轴线方向上同轴设置的安装孔，从而进一步保障在钻杆夹具210进行更替的时候，限位装置208能进行准确的定位，进一步提高作业过程的稳定性、安全性。

作为本发明的优选方案，限位装置208的高度与钻杆夹具210的高度一致，从而进一步提高在对钻杆夹具210进行更替的时候的稳定性

作为本发明的优选方案，钻杆夹具210的夹具孔大小可调，可以针对不同杆径大小的钻具3进行调整夹紧的过程，进一步提高钻杆夹具210的适配性。

从运动过程上：在滑轨梁207上方滑动安装一个钻杆夹具210，并使钻杆夹具210的一端与安装在滑轨梁207竖直端部的第四伸缩油缸209连接，来控制钻杆夹具210能沿着滑轨梁207水平滑动，以进行水平作业的目的；

在滑轨梁207下方滑动安装一个固定装置204，并在固定装置204的一端内部与第四伸缩油缸209的一端连接，并将第四伸缩油缸209的另一端与滑轨梁207的竖直端部连接，同时固定装置204在远离第三伸缩油缸206的一端下方与铰接梁202的一端铰接，在铰接梁202远离固定装置204的一端又与旋转底座201铰接，当第三伸缩油缸206控制滑动连接在滑轨梁207上的固定装置204水平滑动时，与固定装置204铰接的铰接梁202沿着铰接处旋转而改变行程高度，以实现调整高度的目的；

在铰接梁202上靠近与固定装置204的铰接处的一侧上设置了第四铰接点d，相应的另一侧上设置了第三铰接点c；

使第四铰接点d与第一伸缩油缸203的一端连接，且使第一伸缩油缸203远离第四铰接点d的一端与设置在旋转底座201上的第五铰接点e连接，使第三铰接点c与第二伸缩油缸205的一端连接，并使第二伸缩油缸205远离第三铰接点c的一端与固定在固定装置204下方第二铰接点b连接，

当控制第一伸缩油缸203的杆伸出时，第一伸缩油缸203的力传递到第四铰接点d，使得与第四铰接点d固定连接的铰接梁202沿着与固定装置204的铰接处做顺时针转动，并将力进一步传递到与第二伸缩油缸205铰接的第三铰接点c，使得第二伸缩油缸205顺时针转动，与此同时将力传递到固定在固定装置204下的第二铰接点b，使得固定装置204顺时针发生转动，实现向下倾斜动作；同理，运动过程反之，若控制第一伸缩油缸203的杆缩进时，能实现向上抬起的动作；

基于上述实施例1的钻杆推送装置2的零部件之间的连接关系与运动过程，与现有技术中的装置相比，具有结构简单紧凑的优点，能在有限的空间内实现灵活的运动轨迹变换，进而在进行永久支护作业的时候能，能减少后续作业的时间，从而能达到合理利用永久保护时间的目的，并且此钻杆推送装置2还可以运用到综掘机2中不同的应用场景，具体运用过程详见后续实施例。

实施例2

具体如图2到图3所示，本实施例2是在实施例1的基础上，展开上述钻杆推送装置2在综掘机1上不同的运用场景，以此提供一种综掘机1，从安装方式上：在综掘机1在巷道进行快速掘进的时候，根据各工序安排，将满足不同工序要求的钻具3的一端插入到限位装置208的安装孔中，并根据钻具的长短来调整钻杆夹具210与限位装置208之间的距离，使得钻具3准确配合安装在钻杆夹具210上，安装好后的钻具上与高压水管4的一端接通，而高压水管4的另一端与安装在综掘机1上的高压水泵5连接，此时的钻杆推送装置2能在综掘机1上转动，可以在巷道里对不同方位的硬岩壁进行掘进工作。

作为本发明的优选方案，综掘机1上还安装有存储钻具3的储杆箱6，能进一步提高有限作业空间的利用率。

作为本发明的优选方案，钻具3包括可拆卸连接的钻进钻杆301、螺杆钻杆302、压裂钻杆303以及压裂封孔器304。

作为本发明的优选方案，高压水管4采用耐高压水管。

基于上述实施2的钻杆推送装置2能满足综掘机1在巷道里对不同方向上的硬岩壁进行掘进，并在综掘机1上结合水力超前预裂技术能实现对硬岩层进行安全、快速、高效掘进的过程，其中综掘机1具体的施工方法及过程，具体详见后续实施例。

实施例3

具体如图1到图3所示，本实施例3是对上述实施例2中的综掘机1展开具体的施工过程及方法，具体方法包括如下：

S1：首先根据岩性、作业方式以及巷道设计断面尺寸，确定水力超前预裂区域(预裂深度、预裂钻孔断面布置)，

作为本发明的优选方案，预裂深度根据巷道掘进进尺与永久支护进尺匹配关系确定，预裂钻孔断面由巷道设计断面轮廓线向内偏移0.4-0.6m得到。

S2：根据水力超前预裂区域，进行水力预裂钻孔布置，具体包括致裂孔、检验孔的布孔形式设置，布孔完成后进行钻孔施工，同时进行巷道永久支护；具体的，采用巷道设计断面轮廓线按0.4-0.6m的间距不断向内偏移形成一系列钻孔布置线，每条钻孔布置线上按0.4-0.6m的间距均匀布置钻孔，致裂孔与检验孔是相对的，单孔进行致裂时周围其余钻孔均为检验孔。

具体的钻孔施工过程如下：调整综掘机1悬臂大致对齐孔位，通过调节钻杆推送装置2的姿态使限位装置208、钻杆夹具210、设计的钻孔位置三点一线且延长线与钻孔角度吻合；通过限位装置208、钻杆夹具210以及第四伸缩油缸209联动推送连接螺杆钻杆302与钻进钻杆301直至岩壁，连接耐高压水管4于钻进钻杆301、开启高压水泵5开始钻孔，不断增加钻进钻杆301直至钻进至S1中设计的预裂深度，回退拆除钻进钻杆301，进行下一钻孔钻进工序。

S3：钻孔施工完成后，进行钻孔质量验收，质量合格后对钻孔进行依次水力超前预裂。

作为本发明的优选方案，钻孔质量验收包括钻孔间距、钻孔直径、钻孔深度、钻孔角度等。

当以上方面合格时水力超前预裂的顺序为由内而外、自下而上、由浅入深，

具体的压裂施工过程如下：调节综掘机1悬臂大致对齐孔位，通过调节钻杆推送装置2姿态使限位装置208、钻杆夹具210、S2中的钻孔位置三点一线且延长线且角度吻合，通过限位装置208、钻杆夹具210以及第四伸缩油缸209联动推送连接压裂封孔器304与压裂钻杆303直至预定位置，连接耐高压水管4于压裂钻杆303、开启高压水泵5开始压裂，当周围检验孔出水时，记录压裂位置与出水检验孔位置形成压裂记录并停止压裂；

拆卸耐高压水管4、安装压裂钻杆303至下一压裂位置、连接耐高压水管4、开启高压水泵4开始压裂，依次循环至孔底；拆卸耐高压水管4、回退压裂钻杆303，按水力超前预裂的顺序进行下一钻孔致裂，并根据检验孔记录跳过已出现裂隙区域。

S4：水力超前预裂后，进行验收，质量合格后进行综掘机掘进直至下一循环，具体的，水力超前预裂质量验收主要排查压裂记录，若致裂无遗漏，调节钻杆推送装置2姿态进行掘进，掘进过程与常规巷道掘进无异。

基于上述实施例3的综掘机1的施工方法及过程，通过运用水力压裂技术对坚硬岩体进行超前预裂、同时进行永久支护，弱化岩层物性、缩短掘进破岩占时，相对提升综掘机破岩能力，将定向钻进、水力压裂以及综合机械化掘进等装备技术集成、融合，实现在坚硬煤岩层单巷掘进中、有限作业空间内快速机械化掘进的目的。

如上所述，参照附图对所公开的实施例进行了说明，上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明的验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围任然以其权力要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种综掘机，其特征在于，包括钻杆推送装置，所述钻杆推送装置通过旋转底座转动安装在综掘机顶部，所述综掘机顶部上还安装有高压水泵，所述高压水泵上接通高压水管，所述高压水管接入到钻具，所述钻具穿入限位装置上的安装孔与钻杆夹具配合安装，所述钻杆推送装置包括滑轨梁、滑动连接在滑轨梁上方的钻杆夹具、滑动连接在滑轨梁下方的固定装置；

所述钻杆夹具的一端部与第四伸缩油缸的一端连接，所述第四伸缩油缸的另一端与滑轨梁的竖直端部连接；

所述固定装置的下方固定连接有第二铰接点，所述第二铰接点位于第三伸缩油缸与固定装置的配合处；

所述第三伸缩油缸的一端与滑轨梁下方设置的第一铰接点铰接；

所述固定装置远离第三伸缩油缸的一端与铰接梁的一端铰接，所述铰接梁的另一端与旋转底座铰接；

所述旋转底座上设置有第五铰接点，所述第五铰接点与第一伸缩油缸的一端连接，所述第一伸缩油缸的另一端与第四铰接点铰接；

所述第四铰接点设置铰接梁的一侧，且所述铰接梁的另一侧设置有第三铰接点，所述第三铰接点与第二伸缩油缸的一端铰接，所述第二伸缩油缸的另一端与第二铰接点铰接，所述滑轨梁的竖直端部上安装有限位装置，所述限位装置上设有沿钻杆夹具轴线方向上同轴设置的安装孔；

其中，所述第四伸缩油缸用于控制钻杆夹具水平滑动，所述第三伸缩油缸用于控制固定装置水平滑动，以实现钻杆夹具的高度调整，所述第一伸缩油缸和第二伸缩油缸用于控制固定装置转动，以实现钻杆夹具的倾斜角度调整。

2.根据权利要求1所述的综掘机，其特征在于，所述限位装置的高度与钻杆夹具的高度一致。

3.根据权利要求2所述的综掘机，其特征在于，所述钻杆夹具的夹具孔大小可调。

4.根据权利要求3所述的综掘机，其特征在于，所述综掘机上还安装有存储钻具的储杆箱。

5.根据权利要求4所述的综掘机，其特征在于，所述钻具包括可拆卸连接的钻进钻杆、螺杆钻杆、压裂钻杆以及压裂封孔器。

6.一种如权利要求5所述的综掘机的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：首先根据岩性、作业方式以及巷道设计断面尺寸，确定水力超前预裂区域的预裂深度以及预裂钻孔断面布置；

S2：根据确定的水力超前预裂区域的预裂深度以及预裂钻孔断面布置，进行水力预裂钻孔布置，布孔完成后进行钻孔施工，同时进行巷道永久支护；

S3：钻孔施工完成后，进行钻孔质量验收，质量合格后对钻孔进行依次水力超前预裂；

S4：水力超前预裂后，进行验收，质量合格后进行综掘机掘进直至下一循环。

7.根据权利要求6所述的一种综掘机的施工方法，其特征在于，所述预裂深度根据巷道掘进进尺与永久支护进尺匹配关系确定，预裂钻孔断面由巷道设计断面轮廓线向内偏移0.4-0.6m得到。

8.根据权利要求7所述的一种综掘机的施工方法，其特征在于，所述钻孔质量验收包括钻孔间距、钻孔直径、钻孔深度、钻孔角度。