CN117703384A - 深部地下空间扩孔式竖井掘进设备及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种深部地下空间扩孔式竖井掘进设备及施工方法，掘进设备包括掘进机组、安全平台和升降装置，掘进机组包括与竖井同轴设置的外环和内环，外环上周向均布有若干液压撑靴，内环与外环转动配合，内环内侧还固设有打孔钻机和出渣挖机；安全平台设置于掘进机组上方，包括与竖井同轴设置的环状固定式平台和翻转式平台，两平台配合能将竖井封闭，翻转式平台由多个扇形平台围成一圈形成，各扇形平台与环状固定式平台铰接，各翻转卷扬机的绞绳连接至对应扇形平台上；升降装置包括龙门架组件，龙门架组件上配备有升降卷扬机，升降卷扬机的绞绳连接至外环上，且环状固定式平台也固定于各绞绳上。本发明安全风险低、自动化程度高、施工成本低。

Description

深部地下空间扩孔式竖井掘进设备及施工方法

技术领域

本发明涉及竖井开挖技术领域，特别涉及一种深部地下空间扩孔式竖井掘进设备及施工方法。

背景技术

地下空间开发是人类社会面临的迫切需求，向地球深部进军已成为我国重大科技战略。深部地下空间竖井是通向深部地下空间的咽喉通道，而深部地下空间竖井掘进技术及装备是实施国家这一重大战略的关键核心技术。现有的竖井掘进技术及装备存在岩层适应性差、安全风险高、施工成本高、施工技术复杂等各种不足。例如：1、出渣工序复杂，竖井开挖渣土需先提升至地面上，再通过渣土车出渣；2、工人施工风险大，工人在掘进面上进行下一循环的打眼、装药、起爆工作时，裸露围岩上的碎石或井口边上的渣土等均容易掉落伤人。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种岩层适应性强、安全风险低、自动化程度高、施工成本低的深部地下空间扩孔式竖井掘进设备及施工方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种深部地下空间扩孔式竖井掘进设备，包括掘进机组、安全平台和升降装置；

所述掘进机组和安全平台均用于安装在竖井内部；

所述掘进机组包括与竖井同轴设置的外环和内环，所述外环上周向均布有若干液压撑靴，外环能通过各液压撑靴配合固定于竖井周壁上，所述内环设置于外环内侧，且与外环呈转动配合，所述外环上设置有用于驱动内环周向旋转的驱动电机，且内环内侧还固设有打孔钻机和出渣挖机；

所述安全平台设置于掘进机组上方，安全平台包括与竖井同轴设置的环状固定式平台和翻转式平台，所述翻转式平台设置于环状固定式平台的内侧，两者配合能将竖井封闭，翻转式平台由多个扇形平台围成一圈形成，各扇形平台的外侧端均与环状固定式平台的内侧端铰接，在环状固定式平台的顶部外缘上对应每个扇形平台均设有一个“7”字形的平台翻转提升架，所述平台翻转提升架沿环状固定式平台的圆周均布，且其横向段向内设置，在每个平台翻转提升架的横向段上均设置有翻转卷扬机，所述翻转卷扬机的绞绳连接至对应扇形平台的前端上；

所述升降装置包括设置于竖井上方的龙门架组件，所述龙门架组件上配备有若干升降卷扬机，所述升降卷扬机沿竖井井口的圆周均布，升降卷扬机的绞绳连接至外环上，且所述环状固定式平台也固定于各绞绳上。

上述方案中：所述内环外缘设置有一圈传动齿条，所述驱动电机固设于外环上，驱动电机的电机齿轮与传动齿条啮合，通过驱动电机驱动内环转动，调节方便。

上述方案中：所述龙门架组件顶部为框架结构，龙门架组件底部由用于支撑框架结构的四个支撑立柱构成，在框架结构的四端分别固设有一升降卷扬机，四台升降卷扬机沿竖井井口的圆周均布。

上述方案中：所述龙门架组件包括至少两组龙门架，每组龙门架的顶部两端均设有一升降卷扬机，各升降卷扬机沿竖井井口的圆周均布。

上述方案中：所述内环外缘上设置有内环滑动基座，内环通过内环滑动基座错层搭接在外环上，从而实现与外环的转动连接，连接方便，且稳定性好。

上述方案中：所述内环外缘上设置有一上一下两内环滑动基座，所述外环上设置有一上一下两承接部，上方内环滑动基座搭接于上方承接部上，下方内环滑动基座搭接于下方承接部上，且上方内环滑动基座与上方承接部之间、下方内环滑动基座与下方承接部之间均周向设置有若干水平滚轮，外环内缘与内环外缘之间还周向设置有若干侧向滚子，有利于减小内环、外环之前的摩擦力。

上述方案中：所述内环底部固定安装有喇叭口罩，对爆破冲击波进行导向，便于通过内环内孔释放冲击波，避免掘进机组受到冲击影响。

上述方案中：所述翻转式平台周向等分为八个扇形平台，数量合适，便于操控。所述液压撑靴设置有四个，且液压撑靴的脚板由阻尼材料制成，可以增大井壁与液压撑靴间的摩擦力。

本发明还提出了一种深部地下空间扩孔式竖井掘进施工方法，基于上述深部地下空间扩孔式竖井掘进设备，包括以下步骤：

S1、采用潜孔钻机由地面向地下深处正向钻进，形成与地下隧洞相通的引孔；

S2、在地面上对引孔进行扩挖，开挖深度为2-3m，以完成竖井井口段的开挖；

S3、在井口上方安装升降装置，并通过升降装置将掘进机组及安全平台依次放入竖井井口段中，其中掘进机组靠近掘进面；

S4、将外环上的液压撑靴打开，使外环固定于竖井周壁上，并通过掘进设备开挖；开挖过程中，通过驱动电机能控制内环转动，从而能调整打孔钻机和出渣挖机的工位，开挖步骤为：

1)先通过打孔钻机完成整个掘进面的爆破孔的钻设；

2)工人下到掘进面上，进行爆破孔的炸药装填，此过程中将翻转式平台翻转至水平位置，使安全平台展开；

3)将翻转式平台向上翻转，使安全平台收起，待工人上到安全平台的环状固定式平台上，并确保安全平台为收起状态后，实施爆破；

4)通过出渣挖机将开挖渣土铲入引孔中，开挖渣土由引孔掉入隧洞中，最后通过隧洞出渣系统运输至洞外；

S5、掘进设备一次开挖完成后，将外环上的液压撑靴关闭，使外环脱离竖井周壁，并通过升降装置带动掘进机组及安全平台再次下移，使掘进机组靠近新掘进面，再次将外环上的液压撑靴打开，通过掘进设备进行下一次开挖；

S6、循环上一步骤，直至竖井开挖完毕。

上述方案中：当竖井开挖需要修边时，将打孔钻机的钻头更换为破碎锤，通过破碎锤进行破碎修边。

本发明的有益效果是：

1、采用先钻引孔后扩挖相结合功法施工竖井，优点包括：竖井开挖渣土能由引孔掉入隧洞中，通过隧洞出渣系统直接运输至洞外，解决竖井施工排渣困难的问题，节省竖井施工的时间；先施工引孔还便于围岩引力释放，有利于井身开挖施工，为加快井身施工提供条件；管理成本及机械使用成本较全断面竖井施工模式低；连续无交叉作业模式可以更快速、高效、安全的完成施工作业任务。

2、施工过程中，打孔钻机和出渣挖机可根据实际要求调整工作位置，即内环转动调节可以为打孔钻机和出渣挖机提供360°的工作面。

3、工人下到掘进面上，进行爆破孔的炸药装填时，将安全平台展开，此时安全平台起遮挡保护作用，避免落石等砸伤工人，有利于保障施工安全；爆破时，将安全平台收起，便于释放爆破冲击波，以保护掘进机组。

4、可以根据不同竖井直径改变内环、外环及安全平台的直径，以适应不同直径的竖井施工，便于广泛推广使用。

附图说明

图1是本发明中掘进设备的安装示意图。

图2是图1的局部示意图。

图3是图2中M处的放大示意图。

图4是掘进机组的结构示意图。

图5是安全平台的结构示意图。

具体实施方式

如图1—5所示，一种深部地下空间扩孔式竖井掘进设备，主要由掘进机组A、安全平台B和升降装置C组成。

掘进机组A和安全平台B均用于安装在竖井1内部。

掘进机组A包括与竖井1同轴设置的外环2和内环3，外环2上周向均布有若干液压撑靴4，外环2能通过各液压撑靴4配合固定于竖井1周壁上。内环3设置于外环2内侧，且与外环2呈转动配合，外环2上设置有用于驱动内环3周向旋转的驱动电机5，且内环3内侧还固设有打孔钻机6和出渣挖机7。

安全平台B设置于掘进机组A上方，安全平台B包括与竖井1同轴设置的环状固定式平台8和翻转式平台9。翻转式平台9设置于环状固定式平台8的内侧，两者配合能将竖井1封闭。翻转式平台9由多个扇形平台围成一圈形成，各扇形平台的外侧端均与环状固定式平台8的内侧端铰接。在环状固定式平台8的顶部外缘上对应每个扇形平台均设有一个“7”字形的平台翻转提升架10，平台翻转提升架10沿环状固定式平台8的圆周均布，且其横向段向内设置。在每个平台翻转提升架10的横向段上均设置有翻转卷扬机11，翻转卷扬机11的绞绳连接至对应扇形平台的前端上。

升降装置C包括设置于竖井1上方的龙门架组件12，龙门架组件12上配备有若干升降卷扬机13。升降卷扬机13沿竖井1井口的圆周均布，升降卷扬机13的绞绳连接至外环2上，且环状固定式平台8也固定于各绞绳上。

最好是，内环3外缘设置有一圈传动齿条14，驱动电机5固设于外环2上，驱动电机5的电机齿轮与传动齿条14啮合，通过驱动电机5驱动内环3转动，调节方便。

最好是，龙门架组件12顶部为框架结构，龙门架组件12底部由用于支撑框架结构的四个支撑立柱构成，在框架结构的四端分别固设有一升降卷扬机13，四台升降卷扬机13沿竖井1井口的圆周均布。

最好是，龙门架组件12包括至少两组龙门架，每组龙门架的顶部两端均设有一升降卷扬机13，各升降卷扬机13沿竖井1井口的圆周均布。

最好是，内环3外缘上设置有内环滑动基座15，内环3通过内环滑动基座15错层搭接在外环2上，从而实现与外环2的转动连接，连接方便，且稳定性好。

最好是，内环3外缘上设置有一上一下两内环滑动基座15，外环2上设置有一上一下两承接部。上方内环滑动基座15搭接于上方承接部上，下方内环滑动基座15搭接于下方承接部上，且上方内环滑动基座15与上方承接部之间、下方内环滑动基座15与下方承接部之间均周向设置有若干水平滚轮16，外环2内缘与内环3外缘之间还周向设置有若干侧向滚子17，有利于减小内环3、外环2之前的摩擦力。

最好是，内环3底部固定安装有喇叭口罩18，对爆破冲击波进行导向，便于通过内环3内孔释放冲击波，避免掘进机组A受到冲击影响。

最好是，翻转式平台9周向等分为八个扇形平台，数量合适，便于操控。液压撑靴4设置有四个，且液压撑靴4的脚板由阻尼材料制成，可以增大井壁与液压撑靴4间的摩擦力。

一种深部地下空间扩孔式竖井掘进施工方法，基于上述深部地下空间扩孔式竖井掘进设备，包括以下步骤：

S1、采用潜孔钻机由地面向地下深处正向钻进，形成与地下隧洞19相通的引孔20。

S2、在地面上对引孔20进行扩挖，开挖深度为2-3m，以完成竖井1井口段的开挖。

S3、在井口上方安装升降装置C，并通过升降装置C将掘进机组A及安全平台B依次放入竖井1井口段中，其中掘进机组A靠近掘进面。

S4、将外环2上的液压撑靴4打开，使外环2固定于竖井1周壁上，并通过掘进设备开挖。开挖过程中，通过驱动电机5能控制内环3转动，从而能调整打孔钻机6和出渣挖机7的工位，开挖步骤为：

1)先通过打孔钻机6完成整个掘进面的爆破孔的钻设。

2)工人下到掘进面上，进行爆破孔的炸药装填，此过程中将翻转式平台9翻转至水平位置，使安全平台B展开。

3)将翻转式平台9向上翻转，使安全平台B收起，待工人上到安全平台B的环状固定式平台8上，并确保安全平台B为收起状态后，实施爆破。

4)通过出渣挖机7将开挖渣土铲入引孔20中，开挖渣土由引孔20掉入隧洞19中，最后通过隧洞出渣系统运输至洞外。

S5、掘进设备一次开挖完成后，将外环2上的液压撑靴4关闭，使外环2脱离竖井周壁，并通过升降装置C带动掘进机组A及安全平台B再次下移，使掘进机组A靠近新掘进面，再次将外环2上的液压撑靴4打开，通过掘进设备进行下一次开挖。

S6、循环上一步骤，直至竖井1开挖完毕。

最好是，当竖井1开挖需要修边时，将打孔钻机6的钻头更换为破碎锤，通过破碎锤进行破碎修边。

Claims (10)

1.一种深部地下空间扩孔式竖井掘进设备，包括掘进机组(A)、安全平台(B)和升降装置(C)，其特征在于：

所述掘进机组(A)和安全平台(B)均用于安装在竖井(1)内部；

所述掘进机组(A)包括与竖井(1)同轴设置的外环(2)和内环(3)，所述外环(2)上周向均布有若干液压撑靴(4)，外环(2)能通过各液压撑靴(4)配合固定于竖井(1)周壁上，所述内环(3)设置于外环(2)内侧，且与外环(2)呈转动配合，所述外环(2)上设置有用于驱动内环(3)周向旋转的驱动电机(5)，且内环(3)内侧还固设有打孔钻机(6)和出渣挖机(7)；

所述安全平台(B)设置于掘进机组(A)上方，安全平台(B)包括与竖井(1)同轴设置的环状固定式平台(8)和翻转式平台(9)，所述翻转式平台(9)设置于环状固定式平台(8)的内侧，两者配合能将竖井(1)封闭，翻转式平台(9)由多个扇形平台围成一圈形成，各扇形平台的外侧端均与环状固定式平台(8)的内侧端铰接，在环状固定式平台(8)的顶部外缘上对应每个扇形平台均设有一个“7”字形的平台翻转提升架(10)，所述平台翻转提升架(10)沿环状固定式平台(8)的圆周均布，且其横向段向内设置，在每个平台翻转提升架(10)的横向段上均设置有翻转卷扬机(11)，所述翻转卷扬机(11)的绞绳连接至对应扇形平台的前端上；

所述升降装置(C)包括设置于竖井(1)上方的龙门架组件(12)，所述龙门架组件(12)上配备有若干升降卷扬机(13)，所述升降卷扬机(13)沿竖井(1)井口的圆周均布，升降卷扬机(13)的绞绳连接至外环(2)上，且所述环状固定式平台(8)也固定于各绞绳上。

2.根据权利要求1所述的深部地下空间扩孔式竖井掘进设备，其特征在于：所述内环(3)外缘设置有一圈传动齿条(14)，所述驱动电机(5)固设于外环(2)上，驱动电机(5)的电机齿轮与传动齿条(14)啮合。

3.根据权利要求1所述的深部地下空间扩孔式竖井掘进设备，其特征在于：所述龙门架组件(12)顶部为框架结构，龙门架组件(12)底部由用于支撑框架结构的四个支撑立柱构成，在框架结构的四端分别固设有一升降卷扬机(13)，四台升降卷扬机(13)沿竖井(1)井口的圆周均布。

4.根据权利要求1所述的深部地下空间扩孔式竖井掘进设备，其特征在于：所述龙门架组件(12)包括至少两组龙门架，每组龙门架的顶部两端均设有一升降卷扬机(13)，各升降卷扬机(13)沿竖井(1)井口的圆周均布。

5.根据权利要求1所述的深部地下空间扩孔式竖井掘进设备，其特征在于：所述内环(3)外缘上设置有内环滑动基座(15)，内环(3)通过内环滑动基座(15)错层搭接在外环(2)上，从而实现与外环(2)的转动连接。

6.根据权利要求5所述的深部地下空间扩孔式竖井掘进设备，其特征在于：所述内环(3)外缘上设置有一上一下两内环滑动基座(15)，所述外环(2)上设置有一上一下两承接部，上方内环滑动基座(15)搭接于上方承接部上，下方内环滑动基座(15)搭接于下方承接部上，且上方内环滑动基座(15)与上方承接部之间、下方内环滑动基座(15)与下方承接部之间均周向设置有若干水平滚轮(16)，外环(2)内缘与内环(3)外缘之间还周向设置有若干侧向滚子(17)。

7.根据权利要求1所述的深部地下空间扩孔式竖井掘进设备，其特征在于：所述内环(3)底部固定安装有喇叭口罩(18)。

8.根据权利要求1所述的深部地下空间扩孔式竖井掘进设备，其特征在于：所述翻转式平台(9)周向等分为八个扇形平台，所述液压撑靴(4)设置有四个，且液压撑靴(4)的脚板由阻尼材料制成。

9.一种深部地下空间扩孔式竖井掘进施工方法，其特征在于，基于权利要求1—8任一项所述的深部地下空间扩孔式竖井掘进设备，包括以下步骤：

S1、采用潜孔钻机由地面向地下深处正向钻进，形成与地下隧洞(19)相通的引孔(20)；

S2、在地面上对引孔(20)进行扩挖，开挖深度为2-3m，以完成竖井(1)井口段的开挖；

S3、在井口上方安装升降装置(C)，并通过升降装置(C)将掘进机组(A)及安全平台(B)依次放入竖井(1)井口段中，其中掘进机组(A)靠近掘进面；

S4、将外环(2)上的液压撑靴(4)打开，使外环(2)固定于竖井(1)周壁上，并通过掘进设备开挖；开挖过程中，通过驱动电机(5)能控制内环(3)转动，从而能调整打孔钻机(6)和出渣挖机(7)的工位，开挖步骤为：

1)先通过打孔钻机(6)完成整个掘进面的爆破孔的钻设；

2)工人下到掘进面上，进行爆破孔的炸药装填，此过程中将翻转式平台(9)翻转至水平位置，使安全平台(B)展开；

3)将翻转式平台(9)向上翻转，使安全平台(B)收起，待工人上到安全平台(B)的环状固定式平台(8)上，并确保安全平台(B)为收起状态后，实施爆破；

4)通过出渣挖机(7)将开挖渣土铲入引孔(20)中，开挖渣土由引孔(20)掉入隧洞(19)中，最后通过隧洞出渣系统运输至洞外；

S5、掘进设备一次开挖完成后，将外环(2)上的液压撑靴(4)关闭，使外环(2)脱离竖井周壁，并通过升降装置(C)带动掘进机组(A)及安全平台(B)再次下移，使掘进机组(A)靠近新掘进面，再次将外环(2)上的液压撑靴(4)打开，通过掘进设备进行下一次开挖；

S6、循环步骤S5，直至竖井(1)开挖完毕。

10.根据权利要求1所述的深部地下空间扩孔式竖井掘进施工方法，其特征在于：当竖井(1)开挖需要修边时，将打孔钻机(6)的钻头更换为破碎锤，通过破碎锤进行破碎修边。