CN209195246U - 一种用于岩石地层掏槽的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于岩石地层掏槽的装置，包括切割装置、推进机构、安装支架和可调支撑装置。其中，切割装置包括冲击破岩钻头和能够形成高压水射流的喷头，喷头相对布置在切割装置的两侧，冲击破岩钻头相对布置在喷头的外侧。并且，喷头呈确定倾角布置从而保证切割装置的两侧边缘产生的切缝之间的宽度略大于切割装置的宽度。切割装置与推进机构连接，并且，切割装置和推进机构均布置在安装支架上。安装支架布置在可调支撑装置上，可调支撑装置能够调整安装支架的推进长度和摆动角度。能够将高压水射流切割技术和机械冲击破碎技术相结合从而解决高压水射流切割技术难以掏切深槽和可靠性、经济性低的问题。

Description

一种用于岩石地层掏槽的装置

技术领域

本实用新型属于隧道掘进施工技术领域，具体涉及一种用于岩石地层掏槽的装置。

背景技术

在岩石地层掘进施工中，存在一些通过掏深槽将掘进中心岩体与周边围岩分离的工况要求，如岩样取芯、阻断爆破冲击、控制断面尺寸等。目前，被称为“水刀”的高压水射流切割技术发展已较为成熟，其切缝细窄但深度较浅，在一定深度内形状精度较高。但是，由于高压水射流的切缝宽度远小于喷头径向尺寸，喷头不能伸入切缝中扩展深度，难以用于掏切深槽。如果采用多组喷头交叉布置，各切缝互相贯通切除一定宽度的岩石，使喷头可以伸入槽内继续扩展切槽深度的方法，在实际施工中，大量喷头工作的可靠性和能耗造成经济性、可行性难以满足要求，参见附图1。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种将高压水射流切割技术和机械冲击破碎技术相结合的用于岩石地层掏槽的装置，能够解决高压水射流切割技术难以掏切深槽和可靠性、经济性低的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种用于岩石地层掏槽的装置，包括切割装置、推进机构、安装支架和可调支撑装置。其中，切割装置包括冲击破岩钻头和能够形成高压水射流的喷头，喷头相对布置在切割装置的中心两侧，冲击破岩钻头相对布置在喷头的外侧。并且，喷头呈确定倾角布置从而保证切割装置的两侧边缘产生的切缝之间的宽度略大于切割装置的宽度。切割装置与推进机构连接，并且，切割装置和推进机构均布置在安装支架上。安装支架布置在可调支撑装置上，可调支撑装置能够调整安装支架的推进长度和摆动角度。

根据本实用新型的用于岩石地层掏槽的装置，采用喷头形成高压水射流在岩体断面轮廓线切出至少两个切缝，再利用冲击破岩钻头冲击切缝之间的岩脊形成宽槽，不会形成残留的尖齿形壁面。由于喷头呈确定倾角布置使得切割装置的两侧边缘产生的切缝之间的宽度略大于切割装置的宽度，切割装置可深入已形成的宽槽持续工作，切割装置根据预定轨迹工作，最终掏切完成预定形状和深度的深槽，对围岩扰动小，可实现任意形状断面掘进，结合高压水射流切割细窄切缝和机械破碎小尺寸岩脊，能量利用率高，设备运行可靠性和经济性能够满足实际施工要求。

对于上述技术方案，还可进行如下所述的进一步的改进。

根据本实用新型的用于岩石地层掏槽的装置，在一个优选的实施方式中，切割装置包括排渣装置。

通过排渣装置能够将碎渣排出施工面，使得切割装置能够持续顺利工作完成掏槽。

具体地，在一个优选的实施方式中，排渣装置包括真空吸渣管，真空吸渣管布置在喷头与冲击破岩钻头之间。采用真空吸渣管的方式进行排渣，结构简单，成本低，排渣效果好，并且更加环保。

进一步地，在一个优选的实施方式中，喷头之间设有间隔布置的辅助喷头。

通过设置若干辅助喷头能够切割更多的切缝以促进岩脊破碎，提高掏槽工作效率。

进一步地，在一个优选的实施方式中，喷头喷射形成的射流与切割装置边缘呈10～20度夹角。这种设置方式使得切割装置两侧喷头喷射方向略超出切割装置外缘，能够使切槽边缘略宽于切割装置宽度，以便切割装置深入槽内持续掏切。

进一步地，在一个优选的实施方式中，切割装置设有若干组备用喷头，喷头和备用喷头均通过切换阀互相连接。

由于喷头磨损较快，当工作喷头因磨损造成压力下降而无法有效切割时，可以通过切换管路启用备用喷头继续工作。磨损的喷头在检修时集中更换，这样能够有效提高掏槽施工效率。

进一步地，在一个优选的实施方式中，冲击破岩钻头相对槽壁呈确定斜度布置。

冲击破岩钻头相对槽壁呈确定斜度布置，能够使得相应地凿岩机等冲击破碎机械不与隧道壁面干涉，并且与钻头连接的钻杆不与槽壁干涉，因此能够保证包容凿岩机等冲击破碎机械外扩角造成的钻头径向位置外移距离，消除两次掘进间的台阶，减少超欠挖。

具体地，在一个优选的实施方式中，安装支架构造为中空圆柱形框架结构，切割装置均匀布置在圆柱形框架的外周。

用于圆形深槽掘进时，将安装支架做成圆柱形，在施工面之外支承定位并驱动旋转。为提高施工速度，可以在圆周方向均布多组切割装置，在组数为m的情况下，圆柱形框架旋转1/m圈即可推进一层。

进一步地，在一个优选的实施方式中，安装支架上远离切割装置的尾部设有限位装置。

水平掘进时，因重力影响易导致深度方向偏斜，因此可采取支架尾部设置配重等限位装置的方式解决。

进一步地，在一个优选的实施方式中，用于岩石地层掏槽的装置还包括延长支架，延长支架与安装支架连接。

竖直向下掘进时，可通过在安装支架上连接延长支架的方式保持深入掘进。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：能够将高压水射流切割技术和机械冲击破碎技术相结合从而解决高压水射流切割技术难以掏切深槽和可靠性、经济性低的问题。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本实用新型进行更详细的描述。其中：

图1示意性显示了多组喷头交叉布置结构；

图2示意性显示了本实用新型实施例的切割装置的仰视结构；

图3示意性显示了本实用新型实施例的主视结构；

图4示意性显示了本实用新型实施例的备用喷头布置状态；

图5示意性显示了本实用新型实施例的用于岩石地层掏槽的装置的整体结构；

图6示意性显示了本实用新型实施例的切割装置的工作过程；

图7示意性显示了本实用新型实施例的冲击破岩钻头的布置状态；

图8示意性显示了本实用新型实施例的其中一种排渣方式；

图9示意性显示了本实用新型实施例的另一种排渣方式；

图10示意性显示了本实用新型实施例的安装支架的其中一种结构；

图11示意性显示了本实用新型实施例的用于岩石地层掏槽的装置在竖直向下掘进的工作状态。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。

图2示意性显示了本实用新型实施例的切割装置1的仰视结构。图3示意性显示了本实用新型实施例的切割装置1的主视结构。图4示意性显示了本实用新型实施例的备用喷头布置状态。图5示意性显示了本实用新型实施例的用于岩石地层掏槽的装置10的整体结构。图6示意性显示了本实用新型实施例的切割装置1的工作过程。图7示意性显示了本实用新型实施例的冲击破岩钻头的布置状态。图8示意性显示了本实用新型实施例的其中一种排渣方式。图9示意性显示了本实用新型实施例的另一种排渣方式。图10示意性显示了本实用新型实施例的安装支架的其中一种结构。图11示意性显示了本实用新型实施例的用于岩石地层掏槽的装置10在竖直向下掘进的工作状态。

如图2、图3和图5所示，根据本实用新型实施例的用于岩石地层掏槽的装置10，包括切割装置1、推进机构2、安装支架3和可调支撑装置4。其中，切割装置1包括冲击破岩钻头11和能够形成高压水射流的喷头12，喷头12相对布置在切割装置1的两侧，冲击破岩钻头11相对布置在喷头12的外侧。并且，喷头12呈确定倾角布置从而保证切割装置1的两侧边缘产生的切缝之间的宽度略大于切割装置1的宽度。切割装置1与推进机构2连接，并且，切割装置1和推进机构2均布置在安装支架3上。安装支架3布置在可调支撑装置4上，可调支撑装置4能够调整安装支架3的推进长度和摆动角度。根据本实用新型实施例的用于岩石地层掏槽的装置，采用喷头形成高压水射流在岩体断面轮廓线切出至少两个切缝，再利用冲击破岩钻头冲击切缝之间的岩脊形成宽槽，不会形成残留的尖齿形壁面。由于喷头呈确定倾角布置使得切割装置的两侧边缘产生的切缝之间的宽度略大于切割装置的宽度，切割装置可深入已形成的宽槽持续工作，切割装置根据预定轨迹工作，最终掏切完成预定形状和深度的深槽，对围岩扰动小，可实现任意形状断面掘进，结合高压水射流切割细窄切缝和机械破碎小尺寸岩脊，能量利用率高，设备运行可靠性和经济性能够满足实际施工要求。优选地，喷头12采用后混式磨料水射流工作。

如图3所示，进一步地，在一个优选的实施方式中，喷头12喷射形成的射流与切割装置边缘夹角α取10～20度，更加的优选方式为13～15度。切割装置两侧喷头喷射方向略超出切割装置外缘，能够使切槽边缘略宽于切割装置宽度，以便切割装置深入槽内持续掏切。

如图2所示，根据本实用新型实施例的用于岩石地层掏槽的装置10，在一个优选的实施方式中，切割装置1包括排渣装置13。通过排渣装置能够将碎渣排出施工面，使得切割装置能够持续顺利工作完成掏槽。具体地，在一个优选的实施方式中，排渣装置13包括真空吸渣管131，真空吸渣管布置在喷头与冲击破岩钻头之间。采用真空吸渣管的方式进行排渣，结构简单，成本低，排渣效果好，并且更加环保。

优选地，排渣装置13因隧道施工方式的不同而改变，如图8所示，水平掘进时，当断面为圆形时可在断面底部用凿岩钻杆预先按预设掏槽深度水平钻出深孔101，并配置一台可插入并抵达深孔101孔底的螺旋输送机，辅助流体将掏深槽时的碎渣顺着圆环轨迹冲刷至槽底部深孔处，采用螺旋输送的方式实现快速清渣。如图9所示，当断面为拱形时可在拱形断面两底角处钻两深孔101，并配置两台螺旋输送机，辅助流体将碎渣冲刷至两底角，然后用螺旋输送排出碎渣。竖直掘进时，可利用凿岩钻头的二次破碎作用，将破碎的大岩脊碾碎成小碎渣，采用真空吸引的方式将碎渣及时排出。

如图2和图3所示，进一步地，在一个优选的实施方式中，喷头12之间设有间隔布置的辅助喷头14。通过设置若干辅助喷头能够切割更多的切缝能够促进岩脊破碎，提高掏槽工作效率。各辅助喷头14之间可沿掏槽轨迹方向错位布置，辅助喷头14喷射方向指向切槽深度方向，两个辅助喷头14喷射方向间的角度不超过正负10度。

具体地，如图2所示，在一个优选的实施方式中，预掏槽宽度设为冲击破岩钻头直径的1.2～1.6倍。辅助喷头14沿槽宽度方向均匀布置2个以上，两个辅助喷头14产生的切缝间的距离不大于冲击破岩钻头直径的0.8倍。各辅助喷头14之间可沿掏槽轨迹方向错位布置。当掏槽轨迹为封闭曲线且切割装置1能够沿掏槽轨迹方向连续前进时，仅启用喷头12前进方向后侧的冲击破岩钻头11和真空吸渣管。当掏槽轨迹为非封闭曲线或轨迹为封闭曲线但切割装置1无法沿轨迹方向连续前进时，切割装置1要采用沿轨迹往复运动方式，在改变运动方向前，要启用另一侧的冲击破岩钻头和真空吸渣管，换向后，切割装置1以慢速和强力冲击状态通过无完整岩脊段。当掏槽轨迹为封闭曲线时，为避免采用旋转接头而降低推进机构的可靠性，切割装置也可采用往复回转运动方式，换向时，启用每组切割装置1后方的冲击钻头11和真空吸渣管131。

优选地，如图6所示，喷头12和辅助喷头14组采用速度v1匀速移动，冲击破岩钻头11和真空吸渣管131采用步进方式，即冲击时不平移，冲击后提出冲击破岩钻头再快速以速度v2向喷头组靠拢，冲击破岩钻头冲击时间t1、提钻时间t2、移动时间t3与喷头12和辅助喷头14平移速度v1、冲击破岩钻头平移速度v2之间的关系应满足v1*(t1+t2+t3)＝v2*t3≤1.4d。针对目标岩石，喷头11和辅助喷头14以速度v1移动时产生的切缝深度大于等于冲击破岩钻头t1时间内的冲击深度。如图5和图6所示，切割装置1安装在安装支架3上，并通过推进机构2沿安装支架3向前推进，安装支架3长度与预设掏槽深度匹配。安装支架3底部的可调支撑装置4构造为伸缩式摆臂结构，能够改变摆臂长度和摆动角度实现预设的掏槽轨迹，切割装置1去除一层岩石后递进伸入，直至达到预定深度。

进一步地，在一个优选的实施方式中，如图4所示，切割装置1沿掏槽轨迹并列布置若干组备用喷头15，同一组喷头12和备用喷头15的布置位置和角度在掏槽宽度方向的投影是一致的，喷头12和备用喷头15均通过切换阀16互相连接，喷头12和备用喷头15均布置在安装座17上。由于磨料水射流喷头磨损较快，当工作喷头因磨损造成压力下降而无法有效切割时，可以通过切换管路启用备用喷头继续工作。磨损的喷头在检修时集中更换，这样能够有效提高掏槽施工效率。

如图7所示，进一步地，在一个优选的实施方式中，冲击破岩钻头11相对槽壁呈确定斜度布置。优选地，斜度优选为3％～5％。对于冲击破岩钻头11进尺长度较大的情况，优选潜孔钻具，此时喷头12的距离根据冲击破岩钻头11尺寸调整。冲击破岩钻头相对槽壁呈确定斜度布置，能够使得相应地凿岩机等冲击破碎机械不与隧道壁面干涉，并且与钻头连接的钻杆不与槽壁干涉，因此能够保证包容凿岩机等冲击破碎机械外扩角造成的钻头径向位置外移距离，消除两次掘进间的台阶，减少超欠挖。

具体地，在一个优选的实施方式中，如图10所示，安装支架3构造为中空圆柱形框架31结构，切割装置1均匀布置在圆柱形框架31的外周。用于圆形深槽掘进时，将安装支架做成圆柱形，在施工面之外支承定位并驱动旋转，同样采用层层递进伸入方式。为提高施工速度，可以在圆周方向均布多组切割装置，在组数为m的情况下，圆柱形框架旋转1/m圈即可推进一层。为防止碎石进入安装支架3对管路和切割装置1造成损坏，安装支架3内外圆柱面附加有封闭的防护罩壳。进一步地，圆柱形框架31包括沿轴向间隔布置的支撑环311，切割装置1位于圆柱形框架31的其中一端，圆柱形框架31的另一端设有驱动法兰312，驱动法兰312上设有管路连接孔313。

进一步地，在一个优选的实施方式中，安装支架3上远离切割装置1的尾部设有限位装置。水平掘进时，因重力影响易导致深度方向偏斜，因此可采取支架尾部设置配重等限位装置的方式解决。同时中心悬臂岩芯变形易挤压、卡滞安装支架3运动，应控制循环进尺，及时取出岩芯，以便于继续深入掘进。

如图11所示，进一步地，在一个优选的实施方式中，用于岩石地层掏槽的装置还包括延长支架5，延长支架5与安装支架3连接。竖直向下掘进时，可通过在安装支架上连接延长支架的方式保持深入掘进。优选地，推进机构包括传动环7、压紧滚轮8和回转驱动9、升降驱动102。具体地，安装支架3或延长支架5通过连接法兰6固定在传动环7上，顶推力由压紧滚轮8传递到传动环7再传递给安装支架3或延长支架5，回转驱动9通过齿轮-齿圈传递到传动环7再传递给安装支架3或延长支架5。高压水管、磨料输送管、冲击驱动动力管线(液压、压缩空气、电力线)、真空抽吸管等汇成管束，从切割装置1向地面设备引出连接。在掘进深度超过20m以上时，冲击钻具采用潜孔方式。在另一个优选的实施方式中，竖直向上掘进时，由于中心悬垂岩芯极易断裂坠落，因此还会设置防护装置防止岩芯断裂坠落造成的安全事故。

根据上述实施例，可见，本实用新型涉及的用于岩石地层掏槽的装置，能够将高压水射流切割技术和机械冲击破碎技术相结合从而解决高压水射流切割技术难以掏切深槽和可靠性、经济性低的问题。

虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种用于岩石地层掏槽的装置，其特征在于，包括切割装置、推进机构、安装支架和可调支撑装置；其中，

所述切割装置包括冲击破岩钻头和能够形成高压水射流的喷头，所述喷头相对布置在所述切割装置的中心两侧，所述冲击破岩钻头相对布置在所述喷头的外侧；并且，所述喷头呈确定倾角布置从而保证所述切割装置的两侧边缘产生的切缝之间的宽度略大于所述切割装置的宽度；

所述切割装置与所述推进机构连接，并且，所述切割装置和所述推进机构均布置在所述安装支架上；

所述安装支架布置在所述可调支撑装置上，所述可调支撑装置能够调整所述安装支架的推进长度和摆动角度。

2.根据权利要求1所述的用于岩石地层掏槽的装置，其特征在于，所述切割装置包括排渣装置。

3.根据权利要求2所述的用于岩石地层掏槽的装置，其特征在于，所述排渣装置包括真空吸渣管，所述真空吸渣管布置在所述喷头与所述冲击破岩钻头之间。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于岩石地层掏槽的装置，其特征在于，所述喷头之间设有间隔布置的辅助喷头。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的用于岩石地层掏槽的装置，其特征在于，所述喷头喷射形成的射流与所述切割装置边缘呈10～20度夹角。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的用于岩石地层掏槽的装置，其特征在于，所述切割装置设有若干组备用喷头，所述喷头和所述备用喷头均通过切换阀互相连接。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的用于岩石地层掏槽的装置，其特征在于，所述冲击破岩钻头相对槽壁呈确定斜度布置。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的用于岩石地层掏槽的装置，其特征在于，所述安装支架构造为中空圆柱形框架结构，所述切割装置均匀布置在所述圆柱形框架的外周。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的用于岩石地层掏槽的装置，其特征在于，所述安装支架上远离所述切割装置的尾部设有限位装置。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的用于岩石地层掏槽的装置，其特征在于，还包括延长支架，所述延长支架与所述安装支架连接。