CN217327322U - 一种矿用高压电辅助破岩的tbm机刀盘装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种矿用高压电辅助破岩的TBM机刀盘装置，包括刀盘，所述刀盘的掘进面上沿放射轴线设置多个破岩刀头和多个可放电的破岩电极组，所述破岩刀头与破岩电极组分处于不同的放射轴线上，以当TBM机掘进时，刀盘的破岩电极组在岩层处形成放电通道使岩层松碎以提升掘进效率。该装置有利于提高掘进速度，降低工作面粉尘。

Description

一种矿用高压电辅助破岩的TBM机刀盘装置

技术领域

本实用新型属于工程施工技术领域，具体涉及一种矿用高压电辅助破岩的TBM机刀盘装置。

背景技术

矿山岩石巷道主要采用钻爆施工法和悬臂式掘进机施工法。

钻爆施工法由于破岩效率低、装运效率低、支护效率低、粉尘浓度高等问题，导致掘进速度缓慢、职业病高发，尤其是开拓准备等大断面岩巷掘进更加缓慢，严重制约水平采区的有序接替。

悬臂式掘进机施工法存在的主要不足：1、截割范围窄，机器截高、截宽太小需要多次重复调动，影响施工进度，对环境要求高。以悬臂式掘进机为主的机械化作业线，主要适用于地质条件比较简单、巷道断面为16~35 m2、岩石普氏系数不大于8，巷道长度大于2 000m的条件，且要求所掘巷道的曲率半径大，不能适应我国金属矿山巷道要求，特别是岩性变化大，遇到涌水、断层破碎带等地质条件时适应性差，掘进速度明显下降，甚至无法工作。2、掘进工作面降尘效率低。目前普遍采用的内、外喷雾降尘方式无法满足井下掘进工作面的环境要求。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种矿用高压电辅助破岩的TBM机刀盘装置，该装置有利于提高掘进速度，降低工作面粉尘。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种矿用高压电辅助破岩的TBM机刀盘装置，其特征在于，包括刀盘，所述刀盘的掘进面上沿放射轴线设置多个破岩刀头和多个可放电的破岩电极组，所述破岩刀头与破岩电极组分处于不同的放射轴线上，以当TBM机掘进时，刀盘的破岩电极组在岩层处形成放电通道使岩层松碎以提升掘进效率。

进一步地，所述破岩刀头所处放射轴线与所述破岩电极组所处放射轴线沿刀盘周向间隔分布。

进一步地，所述刀盘后侧部设有高压电盘，所述高压电盘上设有与破岩电极组相连的高压储能电容，所述高压储能电容与变压器相连，所述变压器经脉冲传输线与高压脉冲电源相连。

进一步地，所述高压储能电容由若干个低电感的电容串联而成，各个电容分别与相应的变压器相连。

进一步地，所述破岩电极组包括高压电极和低压电极，每个破岩电极组内的高压电极和低压电极设于破岩电极组所处放射轴线上，同一组中高压电极与低压电极的间距小于不同组之间高压电极与低压电极的间距。

进一步地，位于刀盘中心位置的破岩电极组，其高压电极与低压电极的间距小于其它破岩电极组。

进一步地，所述破岩电极组包括用于容置高压电极和低压电极的电极腔，所述电极腔与水管连通，以当TBM机掘进时，电极腔内以水管注入的去离子水形成绝缘层，避免高压电极和低压电极在电极腔内形成放电电弧。

进一步地，所述电极腔上设有注水孔，以当TBM机掘进时，水管向电极腔内注入流动的去离子水以防止粉尘进入电极腔。

进一步地，所述破岩刀头、高压电极、低压电极在刀盘上的分布为：

在以刀盘中心为中心的水平中轴线，即第一轴线上，设置14个破岩刀头，其中水平中轴线中间4个破岩刀头之间的间距小于水平中轴线两端6个破岩刀头之间的间距；

在以刀盘中心为中心，与水平中轴线成60、120度角的第二轴线、第三轴线上，设置12个破岩刀头，所述12个破岩刀头在相应轴线上布设的位置与水平中轴线上除最中间2个破岩刀头之外的12个破岩刀头的布设位置相同；

在以刀盘中心为中心，与水平中轴线成30、90、150度角的第四轴线、第五轴线、第六轴线的两端接近刀盘边缘部位分别设置1个破岩刀头，即第四轴线、第五轴线、第六轴线上共设置6个破岩刀头；在刀盘中心位置设置1个高压电极，向外扩展一圈与第四轴线、第五轴线、第六轴线相交处再分别设置一个低压电极，形成位于刀盘中心的破岩电极组，再在第四轴线、第五轴线、第六轴线向外依次设置高压电极和低压电极，以形成多个破岩电极组。

进一步地，所述TBM机工作时，所述破岩电极组放电的幅值电压为30-50kV，单次能量为10-20J。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：提供了一种矿用高压电辅助破岩的TBM机刀盘装置，该装置有利于提高大断面岩石巷道掘进效率，缩短矿建周期，有效解决大断面岩巷掘进速度慢的问题。本装置在施工中避免了放炮产生的烟雾粉尘，改善了施工作业环境，保障了工作人员的健康。此外，本装置施工中能最大限度降低对巷道围岩的损伤程度，降低围岩扰动，使得巷道成型质量好，从而维护了巷道围岩的承载能力，减少了巷道维护费用。

附图说明

图1是本实用新型实施例的TBM机刀盘装置结构示意图；

图2是本实用新型实施例中放电通道破碎岩层的原理示意图；

图3是本实用新型实施例中刀盘掘进面的结构示意图。

图中：1-放电通道；2-高压电极；3-低压电极；4-岩层；5-去离子水；6-刀盘；9-破岩刀头；10-高压储能电容；11-刀盘的掘进面；12-高压电盘；13-变压器；15-脉冲传输线；16-高压脉冲电源；17-水管。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1-3所示，本实施例提供了一种矿用高压电辅助破岩的TBM机刀盘装置，包括刀盘6，所述刀盘6的掘进面上沿放射轴线设置多个破岩刀头9和多个可放电的破岩电极组，所述破岩刀头9与破岩电极组分处于不同的放射轴线上，以当TBM机掘进时，刀盘的破岩电极组在岩层处形成放电通道1使岩层4松碎以提升掘进效率。

在本实施例中，所述破岩刀头9所处放射轴线与所述破岩电极组所处放射轴线沿刀盘周向间隔分布。

如图1所示，所述刀盘后侧部设有高压电盘12，所述高压电盘12上设有与破岩电极组相连的高压储能电容10，所述高压储能电容与变压器13相连，所述变压器13经脉冲传输线15与高压脉冲电源16相连。在本实施例中，所述高压储能电容10由若干个低电感的电容串联而成，各个电容分别与相应的变压器相连。

如图2、3所示，所述破岩电极组包括高压电极2和低压电极3，每个破岩电极组内的高压电极2和低压电极3设于破岩电极组所处放射轴线上，同一组中高压电极与低压电极的间距小于不同组之间高压电极与低压电极的间距。位于刀盘中心位置的破岩电极组，其高压电极与低压电极的间距小于其它破岩电极组。

所述破岩电极组包括用于容置高压电极和低压电极的电极腔，所述电极腔与水管17连通，以当TBM机掘进时，电极腔内以水管注入的去离子水5形成绝缘层，避免高压电极和低压电极在电极腔内形成放电电弧。在本实施例中，所述电极腔上设有注水孔，以当TBM机掘进时，水管向电极腔内注入流动的去离子水以防止粉尘进入电极腔。

如图3所示，所述破岩刀头、高压电极、低压电极在刀盘上的分布为：

在以刀盘中心为中心的水平中轴线，即第一轴线上，设置14个破岩刀头，其中水平中轴线中间4个破岩刀头之间的间距小于水平中轴线两端6个破岩刀头之间的间距；

在以刀盘中心为中心，与水平中轴线成60、120度角的第二轴线、第三轴线上，设置12个破岩刀头，所述12个破岩刀头在相应轴线上布设的位置与水平中轴线上除最中间2个破岩刀头之外的12个破岩刀头的布设位置相同；

在以刀盘中心为中心，与水平中轴线成30、90、150度角的第四轴线、第五轴线、第六轴线的两端接近刀盘边缘部位分别设置1个破岩刀头，即第四轴线、第五轴线、第六轴线上共设置6个破岩刀头；在刀盘中心位置设置1个高压电极，向外扩展一圈与第四轴线、第五轴线、第六轴线相交处再分别设置一个低压电极，形成位于刀盘中心的破岩电极组，再依照此规律在第四轴线、第五轴线、第六轴线向外依次设置高压电极和低压电极，以形成多个破岩电极组。

在本实施例中，所述TBM机工作时，所述破岩电极组放电的幅值电压为30-50kV，单次能量为10-20J。

TBM机刀盘掘进时，所示TBM机刀盘装置的工作方法，包括以下步骤；

步骤A1、先由水管将去离子水送至刀盘位置，使得高压电极和低压电极之间的空腔充满去离子水。

步骤A2、启动高压脉冲电源，输出高压脉冲经过脉冲传输线送至电极处，高压电极和低压电极与待破碎的岩石接触；当高压脉冲到来时，高压电极和低压电极之间放电，引起待破碎岩石的初步破碎。

步骤A3、所述高压电极、低压电极在放电时也随刀盘旋转；岩石在放电通道的作用下，变得松碎，同时电极尖端随刀盘旋转对岩石进行刮削。

刀盘旋转驱动刀头再次切削掘进面处的岩石，使得岩石彻底破碎，破碎的岩石通过刀盘开口运输至后方。

在步骤A2中，高压电极和低压电极之间的放电脉冲生成等离子体，形成对岩石进行破碎的等离子体冲击波，冲击波将能量转移至放电通道周围的岩体，瞬间转换成岩体的动能，由于放电通道处岩体介质各部位获得的初速度并不一致，其相对运动产生的位移差使岩体变形并破碎。

在本实施例中，TBM机掘进施工运行中主要分为两个阶段，第一个阶段是高压电打击岩面，该技术是利用脉冲放电产生的冲击波、射流或等离子体通道的力学效应对岩石产生破坏，其设备前端放电电极与岩石接触紧密，电场强度足够强，使岩石体击穿，由于等离子体通道发生在岩体内部。岩石在放电的作用下变得松碎，同时尖端的电极对岩石起一定的刮削作用，从而实现对硬岩的快速钻孔。

本装置采用的高压脉冲放电破碎是一种绿色、可控的破碎技术，其速度快;对有金属内含物的矿石破碎具有选择性;能量可控、无污染、无飞石；该技术在破碎固体物质方面的技术优势是:岩石电击穿后，等离子通道发生在场强畸变最大的地方，通常为矿物金属晶粒和岩体的交界面处，利用这种性质可以对矿石进行选择性破碎，并且可用于破碎价值高贵金属矿石和处理金银材料的回收和精炼，实现对等级不够的贵金属矿的富集处理。

本装置的幅值电压30-50kV，单次能量为10-20J 脉冲放电破碎岩石，使用该条件下的脉冲放电就可以实现破碎装备的小型化、长寿命和提高装备的安全性。实现对岩石进行持续的掘进。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种矿用高压电辅助破岩的TBM机刀盘装置，其特征在于，包括刀盘（6），所述刀盘（6）的掘进面上沿放射轴线设置多个破岩刀头（9）和多个可放电的破岩电极组，所述破岩刀头（9）与破岩电极组分处于不同的放射轴线上，以当TBM机掘进时，刀盘的破岩电极组在岩层处形成放电通道使岩层松碎以提升掘进效率；

所述破岩刀头（9）所处放射轴线与所述破岩电极组所处放射轴线沿刀盘周向间隔分布；

所述破岩电极组包括高压电极（2）和低压电极（3），每个破岩电极组内的高压电极和低压电极设于破岩电极组所处放射轴线上，同一组中高压电极与低压电极的间距小于不同组之间高压电极与低压电极的间距；位于刀盘中心位置的破岩电极组，其高压电极与低压电极的间距小于其它破岩电极组；

所述破岩刀头、高压电极、低压电极在刀盘上的分布为：

在以刀盘中心为中心的水平中轴线，即第一轴线上，设置14个破岩刀头，其中水平中轴线中间4个破岩刀头之间的间距小于水平中轴线两端6个破岩刀头之间的间距；

在以刀盘中心为中心，与水平中轴线成60、120度角的第二轴线、第三轴线上，设置12个破岩刀头，所述12个破岩刀头在相应轴线上布设的位置与水平中轴线上除最中间2个破岩刀头之外的12个破岩刀头的布设位置相同；

在以刀盘中心为中心，与水平中轴线成30、90、150度角的第四轴线、第五轴线、第六轴线的两端接近刀盘边缘部位分别设置1个破岩刀头，即第四轴线、第五轴线、第六轴线上共设置6个破岩刀头；在刀盘中心位置设置1个高压电极，向外扩展一圈与第四轴线、第五轴线、第六轴线相交处再分别设置一个低压电极，形成位于刀盘中心的破岩电极组，再在第四轴线、第五轴线、第六轴线向外依次设置高压电极和低压电极，以形成多个破岩电极组。

2.根据权利要求1所述的一种矿用高压电辅助破岩的TBM机刀盘装置，其特征在于，所述刀盘后侧部设有高压电盘（12），所述高压电盘（12）上设有与破岩电极组相连的高压储能电容（10），所述高压储能电容与变压器（13）相连，所述变压器（13）经脉冲传输线（15）与高压脉冲电源（16）相连。

3.根据权利要求2所述的一种矿用高压电辅助破岩的TBM机刀盘装置，其特征在于，所述高压储能电容（10）由若干个低电感的电容并联而成，各个电容分别与相应的变压器相连。

4.根据权利要求1所述的一种矿用高压电辅助破岩的TBM机刀盘装置，其特征在于，所述破岩电极组包括用于容置高压电极和低压电极的电极腔，所述电极腔与水管（17）连通，以当TBM机掘进时，电极腔内以水管注入的去离子水形成绝缘层，避免高压电极和低压电极在电极腔内形成放电电弧。

5.根据权利要求4所述的一种矿用高压电辅助破岩的TBM机刀盘装置，其特征在于，所述电极腔上设有注水孔，以当TBM机掘进时，水管向电极腔内注入流动的去离子水以防止粉尘进入电极腔。

6.根据权利要求1所述的一种矿用高压电辅助破岩的TBM机刀盘装置，其特征在于，所述TBM机工作时，所述破岩电极组放电的幅值电压为30-50kV，单次能量为10-20J。

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