CN214424500U - 一种基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机，包括盾体外壳、位于所述盾体外壳前端的刀盘、以及设置于盾体外壳内用于向掌子面实施冲击波作业的可控冲击波产生系统；所述刀盘上设有供可控冲击波产生系统通过的工作孔；所述盾体外壳在所述刀盘的后侧设有冲击波作业舱。本申请的全断面掘进机利用冲击波将岩石致裂，致裂后的岩石能够便于全断面掘进机的刀盘掘进，从而减少了刀盘的磨损量，解决了开挖特硬岩层时刀盘存在掘不动、甚至卡死等问题，因此本实用新型的掘进机掘进速度快、效率高，降低了成本，满足了当前掘进需求。

Description

一种基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机

技术领域

本申请属于全断面掘进机技术领域，具体涉及一种基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机。

背景技术

近年来，在高速铁路、城市地铁、矿山开采等大型工程建设中，全断面掘进机凭借其环保、自动化程度高、地质适应性强等诸多优点而得到广泛地使用。这种掘进方法相对于初始的人工钻爆法而言，在机械化程度方面、劳动生产率方面、安全性方面都有很大程度上的提升。

刀盘是全断面掘进机最主要的部件之一，它肩负着掘进开挖、支撑掌子面的功能，是所有破岩刀具的安装载体。刀盘所受的载荷是典型的随机载荷，承受大扭矩、大推力和随机突变的冲击载荷，因此刀盘的工作条件极其恶劣，受力情况十分复杂。在掘进过程中刀盘磨损量大，有时候遇到前方特硬岩层时，刀盘存在掘不动甚至卡死等问题，从而导致掘进机掘进速度慢、效率低而且成本高等问题，因此现有的掘进机难以满足当前掘进需求。

实用新型内容

本申请实施例通过提供一种基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机，解决了现有技术中掘进机掘进速度慢、效率低而且成本高等问题。

本实用新型实施例提供了一种基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机，包括盾体外壳、位于所述盾体外壳前端的刀盘、以及设置于盾体外壳内用于向掌子面实施冲击波作业的可控冲击波产生系统；

所述刀盘上设有供可控冲击波产生系统通过的工作孔；所述盾体外壳在所述刀盘的后侧设有冲击波作业舱。

进一步地，所述冲击波作业舱的前段为土舱，中段为人舱，后段为设备舱；所述土舱和人舱之间设有前舱门，所述人舱和设备舱之间设有后舱门。

进一步地，所述可控冲击波产生系统包括孔口密封装置、控制器、以及与所述控制器电性连接的全液压钻机、用于产生冲击波的能量转换器和脉冲功率驱动源。

进一步地，所述能量转换器包括地电极、高压电极、绝缘支撑、外壳和电缆接口；

所述外壳为圆筒状结构，其内部中空，高压电极通过绝缘支撑固定在外壳前端，电缆接口端部的电缆线穿过所述外壳后端、绝缘支撑与高压电极后端连接，地电极通过两个冲击波定向反射弧板与外壳前端连接，且地电极与高压电极前端相对设置，两个冲击波定向反射弧板对称设置在外壳的前端，且两个冲击波定向反射弧板相对的一侧均为圆弧面；两个冲击波定向反射弧板与地电极、外壳围合成的开口为冲击波输出窗口。

进一步地，所述全液压钻机包括机架、钻具、以及设置在机架轨道上由推进油缸驱动往复运动的拖板，所述钻具设置在所述拖板上；

所述钻具包括空心钻杆、大扭矩液压马达、以及由所述大扭矩液压马达驱动旋转的卡盘，卡盘套设在所述空心钻杆上；

所述空心钻杆的前端设有固定在机架上的夹持器，空心钻杆的后端设有注水器；

所述注水器为中心通缆式送水器，所述注水器与水源通过输水管连通，注水器内的电缆一端与所述控制器通过插头连接，所述电缆的另一端设有与所述能量转换器的电缆接口适配的插头；

所述机架上设有用于与盾体外壳内的支架连接的连接座，所述机架的后端可拆卸连接有安装板。

进一步地，孔口密封装置包括用于卡接在钻孔孔口的封孔管，封孔管上端的环形固定板下表面与钻孔边缘接触，封孔管内套设有管状的锥套，锥套下端的锥状口卡接在封孔管下端周向设置的膨胀片内，所述膨胀片与封孔管下端为弹性连接；锥套上端左右两侧设有连接板，连接板上设有螺杆，螺杆穿过连接板上的螺纹孔后与抵接板活动连接，抵接板下端与所述环形固定板上表面接触，锥套内设有单向阀，锥套上端设有与所述空心钻杆适配的连接部，连接部上设有密封圈；

所述锥套上设有电子水压表和放水阀门，所述放水阀门为电磁阀，所述电子水压表和放水阀门均与所述控制器电性连接。

进一步地，所述工作孔上可拆卸地安装有堵头。

进一步地，所述工作孔的数量为多个，多个工作孔均布在刀盘上。

进一步地，本实施例还可采用如下方案，所述工作孔的数量为多个，多个工作孔间隔设置在所述刀盘的盘面的一个半径上。

进一步地，所述工作孔包括第一冲击波工作孔和第二冲击波工作孔，所述第一冲击波工作孔的孔径与钻孔适配，第二冲击波工作孔的孔径为第一冲击波工作孔的孔径的1.5～2.5倍。

本实用新型实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本实用新型实施例提供了一种基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机，该全断面掘进机正常掘进时，通过刀盘开挖掌子面，掘进设定的距离后，停止掘进；然后利用可控冲击波产生系统通过工作孔向掌子面打出钻孔，并利用所述钻孔向岩层内部设定的位置处实施冲击波作业，冲击波将钻孔内作业点附近区域的岩石致裂，致裂后的岩石能够便于全断面掘进机的刀盘掘进，从而减少了刀盘的磨损量，解决了开挖特硬岩层时刀盘存在掘不动、甚至卡死等问题，因此本实用新型的掘进机掘进速度快、效率高，降低了成本，满足了当前掘进需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机的结构示意图。

图2为本实用新型实施例提供的基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机正常掘进状态示意图。

图3为本实用新型实施例一提供的工作孔布置示意图。

图4为本实用新型实施例二提供的工作孔布置示意图。

图5为本实用新型实施例提供的孔口密封装置的结构示意图。

图6为本实用新型实施例提供的能量转换器的结构示意图。

附图标记：1-盾体外壳；2-刀盘；3-掌子面；4-工作孔；41-第一冲击波工作孔；42-第二冲击波工作孔；5-冲击波作业舱；51-土舱；52-人舱；53-设备舱；54-前舱门；55-后舱门；6-孔口密封装置；61-封孔管；62-环形固定板；63-锥套；64-膨胀片；65-螺杆；66-抵接板；67-连接板；7-全液压钻机；71-机架；72-拖板；73-空心钻杆；74-夹持器；75-注水器；8-能量转换器；81-地电极；82-高压电极；83-绝缘支撑；84-外壳；85-电缆接口；9-脉冲功率驱动源；10-堵头；11-钻孔。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图6所示，本实用新型实施例提供的基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机，包括盾体外壳1、位于所述盾体外壳1前端的刀盘2、以及设置于盾体外壳1内用于向掌子面3实施冲击波作业的可控冲击波产生系统；

所述刀盘2上设有供可控冲击波产生系统通过的工作孔4；所述盾体外壳1在所述刀盘2的后侧设有冲击波作业舱5。

需要说明的是，全断面掘进机正常掘进时，通过刀盘2开挖掌子面3，掘进设定的距离后，停止掘进。然后利用可控冲击波产生系统通过工作孔4向掌子面3打出钻孔11，并利用所述钻孔11向岩层内部设定的位置处实施冲击波作业，冲击波将钻孔11内作业点附近区域的岩石致裂，致裂后的岩石能够便于全断面掘进机的刀盘2掘进，从而减少了刀盘2的磨损量，解决了开挖特硬岩层时刀盘2存在掘不动、甚至卡死等问题，因此本实用新型的掘进机掘进速度快、效率高，降低了成本，满足了当前掘进需求。

如图2所示，本实施例的所述冲击波作业舱5的前段为土舱51，中段为人舱52，后段为设备舱53；所述土舱51和人舱52之间设有前舱门54，所述人舱52和设备舱53之间设有后舱门55。

需要说明的是，全断面掘进机正常掘进时，前舱门54和后舱门55均为关闭状态，刀盘2将正面的岩体切削下来，切削下来的岩渣进入刀盘2后面的土舱51内，土舱51为密封舱，安装在土舱51下部的螺旋运输机向排渣口连续地将岩渣排出。

需要进行冲击波作业时，停止掘进，工作人员打开后舱门55进入人舱52，然后关闭后舱门55。工作人员向人舱52内缓慢加压到与土舱51内相同的工作压强并保持稳定状态，然后缓慢开启前舱门54和后舱门55。此时，工作人员可在冲击波作业舱5内实施冲击波作业。

如图1所示，本实施例的所述可控冲击波产生系统包括孔口密封装置6、控制器、以及与所述控制器电性连接的全液压钻机7、产生冲击波的能量转换器8和脉冲功率驱动源9。

需要说明的是，实施冲击波作业时，将全液压钻机7固定安装，并通过工作孔4向掌子面3打出钻孔11，然后将能量转换器8安装在全液压钻机7的空心钻杆的前端，同时在钻孔11的孔口处安装孔口密封装置6，将能量转换器8推送至钻孔11内后，通过空心钻杆向钻孔11内注满水，并将能量转换器8的控制电缆与脉冲功率驱动源9连通，脉冲功率驱动源9启动后向能量转换器8放电，能量转换器8产生的冲击波将岩石致裂。

工作人员通过控制器对全液压钻机7、能量转换器8和脉冲功率驱动源9进行控制。可控冲击波产生系统在使用时临时进行组装，组装后与盾体内进行相对固定，可控冲击波产生系统不使用时，将可控冲击波产生系统的各设备放置于设定的位置处。可控冲击波产生系统在安装、工作过程中，工作人员还可利用其它辅助设备进行操控，以提高作业时的效率和安全性。

如图6所示，本实施例的所述能量转换器8包括地电极81、高压电极82、绝缘支撑83、外壳84和电缆接口85；

所述外壳84为圆筒状结构，其内部中空，高压电极82通过绝缘支撑83固定在外壳84前端，电缆接口85端部的电缆线穿过所述外壳84后端、绝缘支撑83与高压电极82后端连接，地电极81通过两个冲击波定向反射弧板与外壳84前端连接，且地电极81与高压电极82前端相对设置，两个冲击波定向反射弧板对称设置在外壳84的前端，且两个冲击波定向反射弧板相对的一侧均为圆弧面；两个冲击波定向反射弧板与地电极81、外壳84围合成的开口为冲击波输出窗口。

需要说明的是，能量转换器8工作时，脉冲功率驱动源9对地电极81与高压电极82之间的水放电，放电后产生的高电压脉冲击穿水间隙也可形成等离子体电弧通道；所产生的等离子体电弧在后续强大的放电电流下对水直接加热，并迅速使周围水介质升温、气化、膨胀，进而推动外围的水产生球面波冲击波，球面波冲击波能够将岩石致裂。

能量转换器8使用时还可将地电极81与高压电极82通过金属丝连接。当金属丝将地电极81与高压电极82连接后进行冲击波作业时，能够提高能量转换器8的转换效率，进而提升了致裂岩石的效果。

本实施例中，所述全液压钻机7包括机架71、钻具、以及设置在机架71轨道上由推进油缸驱动往复运动的拖板72，所述钻具设置在所述拖板72上；

所述钻具包括空心钻杆73、大扭矩液压马达、以及由所述大扭矩液压马达驱动旋转的卡盘，卡盘套设在所述空心钻杆73上；

所述空心钻杆73的前端设有固定在机架71上的夹持器74，空心钻杆73的后端设有注水器75；

所述注水器75为中心通缆式送水器，所述注水器75与水源通过输水管连通，注水器75内的电缆一端与所述控制器通过插头连接，所述电缆的另一端设有与所述能量转换器8的电缆接口85适配的插头；

所述机架71上设有用于与盾体外壳1内的支架连接的连接座，所述机架71的后端可拆卸连接有安装板。

需要说明的是，全液压钻机7通过大扭矩液压马达、卡盘来驱动空心钻杆73旋转钻进，钻进时夹持器74能够保持空心钻杆73的稳定性。

机架71通过连接座、盾体外壳1内的支架与盾体相对固定，安装板上可安装其它辅助设备。固定好全液压钻机7后，打出钻孔11，钻孔11开设完毕后取出空心钻杆内的岩柱，然后将能量转换器8安装至空心钻杆的前端，并将电缆的插头与能量转换器8的电缆接口85连接，在钻孔11的孔口处安装孔口密封装置6，并将能量转换器8推送至钻孔11内；利用注水器75并通过空心钻杆将水注入钻孔11内，然后采用脉冲功率驱动源9通过电缆向能量转换器8放电。

如图5所示，本实施例的孔口密封装置6包括用于卡接在钻孔11孔口的封孔管61，封孔管61上端的环形固定板62下表面与钻孔11边缘接触，封孔管61内套设有管状的锥套63，锥套63下端的锥状口卡接在封孔管61下端周向设置的膨胀片64内，所述膨胀片64与封孔管61下端为弹性连接；锥套63上端左右两侧设有连接板67，连接板67上设有螺杆65，螺杆65穿过连接板67上的螺纹孔后与抵接板66活动连接，抵接板66下端与所述环形固定板62上表面接触，锥套63内设有单向阀，锥套63上端设有与所述空心钻杆73适配的连接部，连接部上设有密封圈；

所述锥套63上设有电子水压表和放水阀门，所述放水阀门为电磁阀，所述电子水压表和放水阀门均与所述控制器电性连接。

需要说明的是，封孔管61和锥套63的连接方式，能够将孔口密封装置6可拆卸地安装在钻孔11的孔口处。使用时，将封孔管61卡接在钻孔11孔口内，旋紧螺杆65，使得锥套63向远离孔口的方向移动，锥套63下端的锥状口卡接在胀套内的下端，从而膨胀片64向外凸出并与钻孔11孔壁紧密接触，即完成孔口密封装置6的安装。单向阀和密封圈可避免大量的水从钻孔11中流出。

本实施例中，所述工作孔4上可拆卸地安装有堵头10。

需要说明的是，全断面掘进机正常掘进时，堵头10可避免杂物通过工作孔4进入盾体内。

如图3所示，本实施例一中，所述工作孔4的数量为多个，多个工作孔4均布在刀盘2上。

需要说明的是，多个工作孔4可对掌子面3的多个位置处均进行冲击波作业，从而形成岩石的整体致裂，因此该设置更加利于全断面掘进机刀盘2的掘进。

如图4所示，本实施例二中，还可采用如下方案，所述工作孔4的数量为多个，所述工作孔4的数量为多个，多个工作孔4间隔设置在所述刀盘2的盘面的一个半径上。

需要说明的是，通过改变刀盘2的角度，能够利用图中的三个工作孔4对掌子面3的整体进行冲击波作业，从而减少了刀盘2上工作孔4的数量，优化了掘进机的结构。

本实施例中，所述工作孔4包括第一冲击波工作孔41和第二冲击波工作孔42，所述第一冲击波工作孔41的孔径与钻孔11适配，第二冲击波工作孔42的孔径为第一冲击波工作孔41的孔径的1.5～2.5倍。

需要说明的是，第二冲击波工作孔42的孔径较大，因此能够通过更大尺寸的设备，进而在第一冲击波工作孔41进行冲击波作业时，第二冲击波工作孔42可辅助可控冲击波产生系统设备的安装、拆卸。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机，其特征在于：包括盾体外壳(1)、位于所述盾体外壳(1)前端的刀盘(2)、以及设置于盾体外壳(1)内用于向掌子面(3)实施冲击波作业的可控冲击波产生系统；

所述刀盘(2)上设有供可控冲击波产生系统通过的工作孔(4)；所述盾体外壳(1)在所述刀盘(2)的后侧设有冲击波作业舱(5)。

2.根据权利要求1所述的基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机，其特征在于：所述冲击波作业舱(5)的前段为土舱(51)，中段为人舱(52)，后段为设备舱(53)；所述土舱(51)和人舱(52)之间设有前舱门(54)，所述人舱(52)和设备舱(53)之间设有后舱门(55)。

3.根据权利要求1所述的基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机，其特征在于：所述可控冲击波产生系统包括孔口密封装置(6)、控制器、以及与所述控制器电性连接的全液压钻机(7)、用于产生冲击波的能量转换器(8)和脉冲功率驱动源(9)。

4.根据权利要求3所述的基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机，其特征在于：所述能量转换器(8)包括地电极(81)、高压电极(82)、绝缘支撑(83)、外壳(84)和电缆接口(85)；

所述外壳(84)为圆筒状结构，其内部中空，高压电极(82)通过绝缘支撑(83)固定在外壳(84)前端，电缆接口(85)端部的电缆线穿过所述外壳(84)后端、绝缘支撑(83)与高压电极(82)后端连接，地电极(81)通过两个冲击波定向反射弧板与外壳(84)前端连接，且地电极(81)与高压电极(82)前端相对设置，两个冲击波定向反射弧板对称设置在外壳(84)的前端，且两个冲击波定向反射弧板相对的一侧均为圆弧面；两个冲击波定向反射弧板与地电极(81)、外壳(84)围合成的开口为冲击波输出窗口。

5.根据权利要求3所述的基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机，其特征在于：所述全液压钻机(7)包括机架(71)、钻具、以及设置在机架(71)轨道上由推进油缸驱动往复运动的拖板(72)，所述钻具设置在所述拖板(72)上；

所述钻具包括空心钻杆(73)、大扭矩液压马达、以及由所述大扭矩液压马达驱动旋转的卡盘，卡盘套设在所述空心钻杆(73)上；

所述空心钻杆(73)的前端设有固定在机架(71)上的夹持器(74)，空心钻杆(73)的后端设有注水器(75)；

所述注水器(75)为中心通缆式送水器，所述注水器(75)与水源通过输水管连通，注水器(75)内的电缆一端与所述控制器通过插头连接，所述电缆的另一端设有与所述能量转换器(8)的电缆接口(85)适配的插头；

所述机架(71)上设有用于与盾体外壳(1)内的支架连接的连接座，所述机架(71)的后端可拆卸连接有安装板。

6.根据权利要求5所述的基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机，其特征在于：孔口密封装置(6)包括用于卡接在钻孔(11)孔口的封孔管(61)，封孔管(61)上端的环形固定板(62)下表面与钻孔(11)边缘接触，封孔管(61)内套设有管状的锥套(63)，锥套(63)下端的锥状口卡接在封孔管(61)下端周向设置的膨胀片(64)内，所述膨胀片(64)与封孔管(61)下端为弹性连接；锥套(63)上端左右两侧设有连接板(67)，连接板(67)上设有螺杆(65)，螺杆(65)穿过连接板(67)上的螺纹孔后与抵接板(66)活动连接，抵接板(66)下端与所述环形固定板(62)上表面接触，锥套(63)内设有单向阀，锥套(63)上端设有与所述空心钻杆(73)适配的连接部，连接部上设有密封圈；

所述锥套(63)上设有电子水压表和放水阀门，所述放水阀门为电磁阀，所述电子水压表和放水阀门均与所述控制器电性连接。

7.根据权利要求1所述的基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机，其特征在于：所述工作孔(4)上可拆卸地安装有堵头(10)。

8.根据权利要求1所述的基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机，其特征在于：所述工作孔(4)的数量为多个，多个工作孔(4)均布在刀盘(2)上。

9.根据权利要求1所述的基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机，其特征在于：所述工作孔(4)的数量为多个，多个工作孔(4)间隔设置在所述刀盘(2)的盘面的一个半径上。

10.根据权利要求8或9任一所述的基于可控冲击波辅助破岩的全断面掘进机，其特征在于：所述工作孔(4)包括第一冲击波工作孔(41)和第二冲击波工作孔(42)，所述第一冲击波工作孔(41)的孔径与钻孔(11)适配，第二冲击波工作孔(42)的孔径为第一冲击波工作孔(41)的孔径的1.5～2.5倍。

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