专利名称：三自由度自行走式微型盾构机的制作方法
技术领域：
本发明涉及三自由度自行走式微型盾构机，尤其适用于煤层长距离瓦斯抽放的钻孔。
背景技术：
目前我国矿井瓦斯抽放量只占抽放瓦斯全部涌出量的20%，我国矿井瓦斯抽放技术主要有采掘前(预抽)抽放，边采边抽和采后抽放(采空区抽放)。常用的设备是瓦斯抽放钻机，采用顶管技术建立起瓦斯通道排放出瓦斯，但这种长钻孔成孔设备和受控定向钻进工艺一直是瓦斯抽放的“瓶颈”，现有的打钻技术没有与之配套的专用定向钻头和控制有效的定向措施，主要表现在抽放量少，成孔率低，矿井抽出率低，钻孔长度不长，综合抽放工作差。因此瓦斯抽放装备的改进与提高已成为亟待解决的问题。从国内外的发展趋势看，施工速度快、成本低、钻孔工程利用率高的顺层钻孔将逐渐替代穿层钻孔成为煤层瓦斯 抽放的主要技术手段。
发明内容
技术问题本发明的目的是针对已有技术存在的问题，提供一种结构紧凑、定向钻孔容易、实现施工速度快、成本低、钻孔工程利用率高，提高抽放瓦斯量的三自由度自行走式微型盾构机。技术方案本发明三自由度自行走式微型盾构机，包括前盾、与前盾滑套配合的中盾，前盾内设有呈工字形的内支架，中盾内设有与内支架相连的外支架，内支架的前端设有液压马达，液压马达的前部设有盾构机截割头，液压马达与盾构机截割头之间设有二次破碎机构，内支架的中部对称设有可伸出前盾体外的前支承油缸，内支架的后端与外支架之间上下两侧对称设有推进油缸，外支架上对称设有可伸出中盾体外的后支承油缸；前盾内位于内支架的前侧设有送水装置、后侧设有螺旋输送机；中盾的后部设有液压阀组，中盾的后端设有尾盾。所述前支承油缸与后支承油缸的位置呈十字交叉排列；所述前支承油缸与后支承油缸的顶部均设有撑靴；所述的盾构机截割头上连接有三个实现盾构机截割头成三自由度旋转截割的角度调整油缸；所述的二次破碎机构由多层叠加在一起构成栅栏状的耐磨合金钢丝网构成。有益效果由于采用了上述技术方案，利用四个支承油缸撑阻，可实现两级自行走式盾构掘进，无需管道的顶管推进。对每个角度调整油缸进行各自的压力控制，可以改变油缸伸缩长度，实现盾构机的定向控制和曲线行走，有效防止钻孔的测斜交错，可使瓦斯排放的更加充分。对于残渣的排放，采用螺旋输送机以及负压抽吸的方式，解决了顶管技术不排渣的问题。本发明全部采用液压驱动的方式，液压马达驱动截割头旋转，推进液压缸和支撑油缸负责步进支撑，通过液压系统进行同步或异步的控制，实现盾构机的“后支撑一前推进、前支撑一后收缩”的两节式步进行走。螺旋输送机负责排泄矿渣，解决了现有技术中瓦斯抽放中钻孔长度不长、抽放率不高的钻孔定向钻进的难题，实现了施工速度快、成本低、钻孔工程利用率高，抽放瓦斯效率高的目的。其结构简单紧凑、工作稳定，可实现大扭矩、高转速、推进力大的长距离水平钻孔。
图I为三自由度自行走微型式盾构机剖视 图2为图I的纵向剖视 图3、图4为图I的局部放大视图。图中1 一盾构机截割头；2 —二次破碎机构；3 —角度调整油缸；4 一液压马达；
5一前支承油缸；6 —内支架；7 —推进油缸；8 —外支架；9 一液压阀组；10 —送水装置；11 —螺旋输送机；12 —前盾；13 —后支承油缸；14 —中盾；15 —尾盾。·
具体实施例方式下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述
本发明的三自由度自行走式微型盾构机，主要由盾构机截割头I、二次破碎机构2、角度调整油缸3、液压马达4、前支承油缸5、内支架6、推进油缸7、外支架8、液压阀组9、送水装置10、螺旋输送机11、前盾12、后支承油缸13、中盾14、尾盾15构成。前盾12与中盾14滑套配合，前盾12内设置呈工字形的内支架6，中盾14内设置与内支架6相连的外支架8，内支架6的前端设置液压马达4，液压马达4的前部设置盾构机截割头1，盾构机截割头I上连接三个角度调整油缸3 ;所述的盾构机截割头I由液压马达4控制，并通过角度调整油缸3实现盾构机截割头I三自由度旋转截割。液压马达4与盾构机截割头I之间设置二次破碎机构2，二次破碎机构2由多层叠加在一起构成栅栏状的耐磨合金钢丝网构成。内支架6的中部对称设有可伸出前盾12体外的前支承油缸5，内支架6的后端与外支架8之间上下两侧对称设有两个双作用的推进油缸7，外支架8上对称设置两个可伸出中盾14体外的双作用的后支承油缸13，所述的前支承油缸5与后支承油缸13位置呈十字交叉排列，前支承油缸5与后支承油缸13的顶部均设有撑靴；前盾12内位于内支架6的前侧设有送水装置10、后侧设有螺旋输送机11 ;中盾14的后部设有液压阀组9，中盾14的后端设有尾盾
15。推进油缸7为三自由度自行走式微型盾构机的推进装置，当后支承油缸13的撑靴伸出顶住岩孔时，推进油缸7向前推进，推动前盾12向前移动，当支撑前支承油缸5的撑靴伸出顶住岩孔时，推进油缸7的回缩实现两节式的步进行走。所述的液压阀组9全部采用插装阀组，由于盾构机的空间限制，插装阀通过阀块之间相互作用工作安装在盾构机的尾部，液压泵则安装在外部，后面外接两根油路管供给液压马达4、推进油缸7、前支承油缸5和后支承油缸13等液压系统工作所需的压力油，通过盾构机拖着高压油管进行工作。所述的送水装置10和螺旋输送机11为三自由度自行走式微型盾构机的排渣机构，利用矿下水资源丰富的优势，向破碎室内注水，利用泥水压力来平衡盾构机所处岩层中的外界压力，同时通过螺旋输送机11把混合了矿渣的泥水从破碎室输送到输送管中，再结合负压抽吸的方式将之排出去。所述的前盾12、中盾14、尾盾15以及内支架6和外支架8组成整个系统的盾构体。盾构机截割头I为液压马达4控制的镐齿截割装置，三自由度自行走微型盾构机的截割直径为510mm，开口率为38. 1%。
工作原理及工作过程首先通过盾构机截割头I的镐齿对煤层岩石进行一次破碎，然后由设在盾构机截割头I后的二次破碎机构2对破碎后的碎岩进行二次破碎。采用两个双作用推进油缸7构成推进系统，采用十字交叉式双作用油缸前支承油缸5和后支承油缸13构成撑阻系统，通过液压阀组9实现盾构机的集中液压控制，采用螺旋输送机11和并联在排泄管路中的负压排渣抽水机，在排放管路出口处进行联合排渣。所述负压排渣是利用空气对流、负压换气的原理，由安装地点吸入新鲜空气从而产生负压，对掘进的隧道产生一定的负压力，使得废渣被吸出。负压排渣是在突出或松软煤层打钻的较好的排渣方式。所述盾构机截割头I采用ISOONm的大扭矩、70r/min低转速的液压马达4通过联轴器直接驱动盾构机截割头I旋转运动。周向对称布置的三个角度调整油缸3控制截割头前进方向，根据角度调整油缸3伸缩长度的不同调整盾构机截割头I在不同方位的旋转，实现三自由度的旋转。盾构机截割头I和液压马达4为一个整体，由三个角度调整油缸3控制盾构机截割头I的方位。由于盾构机截割头I和液压马达4为一体，结构紧凑，液压马达4是随着盾构机截割头I 一起发生角度的变化，实现了盾构机截割头I边旋转边不断的进行搅动，有助于破碎矿石。所述角度调整油缸3为三自由度自行走式微型盾构机的角度调整装置，三个角度调整油缸3采用球铰接连接方式与盾构机头相连，能实现一定角度的倾斜并能对盾构机的走向进行微调。所述液压马达4为三自由度自行走式微型盾构机截割头I的主要动 力源，通过液压阀组9控制驱动盾构机截割头I旋转运动。所述的支承油缸包括前支承油缸5和后支承油缸13为三自由度自行走式微型盾构机的自行走装置，以十字交叉布置的四个双作用油缸撑阻定位，撑靴顶入矿石中，以提供推进所需的反力。通过对前后支承油缸的单独控制，实现两节式的步进行走。
权利要求
1.一种三自由度自行走式微型盾构机，其特征在于它包括前盾(12)、与前盾(12)滑套配合的中盾(14)，前盾(12)内设有呈工字形的内支架￠)，中盾(14)内设有与内支架(6)相连的外支架(8)，内支架￠)的前端设有液压马达(4)，液压马达(4)的前部设有盾构机截割头(I)，液压马达(4)与盾构机截割头(I)之间设有二次破碎机构(2)，内支架(6)的中部对称设有可伸出前盾(12)体外的前支承油缸(5)，内支架￠)的后端与外支架(8)之间上下两侧对称设有推进油缸(7)，外支架(8)上对称设有可伸出中盾(14)体外的后支承油缸(13);前盾(12)内位于内支架￠)的前侧设有送水装置(10)、后侧设有螺旋输送机(11);中盾(14)的后部设有液压阀组(9)，中盾(14)的后端设有尾盾(15)。
2.根据权利要求I所述的三自由度自行走式微型盾构机，其特征在于所述前支承油缸(5)与后支承油缸(13)的位置呈十字交叉排列。
3.根据权利要求I或2所述的三自由度自行走式微型盾构机，其特征在于所述前支承油缸(5)与后支承油缸(13)的顶部均设有撑靴。
4.根据权利要求I所述的三自由度自行走式微型盾构机，其特征在于所述的盾构机截割头(I)上连接有三个实现盾构机截割头(I)成三自由度旋转截割的角度调整油缸(3)。
5.根据权利要求I所述的三自由度自行走式微型盾构机，其特征在于所述的二次破碎机构(2)由多层叠加在一起构成栅栏状的耐磨合金钢丝网构成。
全文摘要
一种三自由度自行走式微型盾构机，包括截割头、驱动马达，推进油缸、支承油缸、螺旋输送机、内外支架、液压阀组以及护盾。所述截割头为镐齿截割，通过调整油缸实现三自由度旋转截割；碎岩原理采用二次破碎技术，通过镐齿截割和二次破碎机构对煤岩进行破碎处理；推进系统采用两个双作用油缸，撑阻系统采用十字交叉式双作用油缸，通过液压系统控制，实现“后支撑—前推进、前支撑—后收缩”式步进行走。排渣方式采用螺旋输送机将矿渣泥水送入输送管，结合负压抽吸进行排渣。发明优点实现了盾构机定向控制和大曲率半径曲线行走，防止钻孔测斜交错，实现盾构机自主行走，保证长距离钻孔，解决了顶管技术不排渣的难题，使瓦斯排放更充分。
文档编号E21D9/08GK102797474SQ201210316860
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者王世博, 葛世荣, 马国辉, 滕兵 申请人:中国矿业大学