一种基于高压泡沫介质的钻涨凿岩一体机的制作方法

本发明涉及一种凿岩一体机，尤其是一种基于高压泡沫介质的钻涨凿岩一体机，属于凿岩机械技术领域。

背景技术：

国家“十三五”规划提出，要提高非化石能源比重，推动煤炭等化石能源清洁高效利用，深部煤炭资源安全开发、西部煤炭资源绿色开发、煤炭清洁高效利用等基础理论研究与关键技术攻关需取得突破；安全技术装备水平大幅提升，煤矿隐蔽致灾因素探查取得进展。而在煤矿开采过程中，采掘比例失调一直是影响我国煤矿高产高效的主要因素，随着我国地下空间开发与资源开采不断走向深部，掘进工作面岩石硬度不断增大，岩爆的频度和强度均明显增加，安全问题也日益突出。据统计，仅国有重点煤矿每年硬岩(f>10)巷道掘进工程量在2000km以上，近年来硬岩巷道掘进占比不断增大，已达到1:3.1左右，因此，如何实现硬岩(f>10)掘进工作面安全高效施工已成为亟待解决的问题和难题。综掘法是一种先进的岩巷掘进技术，但在硬岩掘进过程中单位比能耗过大，钻头损耗严重，机器可靠性和适应性较差，不适用于硬岩巷道的开拓。目前，硬岩巷道掘进的主要采用钻爆法，利用炸药实现瞬间爆破，其破岩、排矸和支护等工艺需要各自的专用设备，受作业空间和作业面的限制，难以实现同时和连续性的掘进，且围岩破坏严重，机械化程度低，严重影响了安全、高效生产的目的，同时，工人劳动强度大，粉尘、设备施工噪音影响作业人员身体健康。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中存在的不足，提供一种具有集凿岩、涨裂于一身、省时省力、高效安全的基于高压泡沫介质的钻涨凿岩一体机。

技术方案：本发明的基于高压泡沫介质的钻涨凿岩一体机，包括动力装置、钻杆、钻头、齿轮传动机构和冲击活塞，所述的钻杆内部开有连通钻头的中心孔，钻杆上设有高压泡沫输送装置，高压泡沫输送装置的后部设置齿轮传动机构和冲击活塞，高压泡沫输送装置的前部卡装有封孔装置；

所述的高压泡沫输送装置包括冲击钻杆左、右壳体、连接在冲击钻杆左、右壳体之间构成高压泡沫输送腔室的连接管，连接管内设有套装在钻杆上的高压泡沫输送活塞，所述冲击钻杆左、右壳体上分别设有冲击钻杆左、右壳体流道，所述冲击钻杆左、右壳体流道出口连通有高压泡沫生成与输送系统，所述临近右壳体一侧的钻杆上开有高压泡沫输送预留孔；

所述的高压泡沫生成与输送系统包括经泡沫输送管路依次连接的单向阀、增压器、混合器、气体泵、和电磁换向阀，所述的混合器上设有液体泵；

所述的封孔装置包括间隔紧固在钻杆上的两个对半圆柱形的左卡扣和右卡扣，左卡扣和右卡扣与钻杆之间套装有钢丝膨胀胶管，左卡扣和右卡扣之间的钻杆上开有多个与钻杆内孔相通的密封预留孔。

所述的高压泡沫输送活塞的外径上设有与连接管内壁相密封的高压泡沫输送活塞轴密封圈，内径上设有与钻杆相密封的高压泡沫输送活塞孔密封圈。

所述的高压泡沫输送预留孔为2-4个，呈环形排列。

所述的密封预留孔为多组，间隔布置，每组2-4个孔，呈环形排列。

一种上述基于高压泡沫介质的钻涨凿岩一体机的钻涨凿岩方法，包括如下步骤：

a.钻涨凿岩时，开启由动力装置，动力装置带动冲击活塞高速往复运动，使冲击活塞撞击钻杆实现钻杆的冲击运动，同时，电机带动齿轮传动机构动作，齿轮传动机构中的小齿轮传动大齿轮并带动钻杆转动，传动大齿轮与钻杆通过花键配合连接，实现钻杆3的回转过程，在冲击与回转联合作用下，钻涨凿岩一体机对岩体进行打孔；

b.在完成钻孔后，通过气体泵与液体泵分别输送气体和液体至混合器中混合，并通过增压器增压后生成用于涨裂岩石的高压泡沫；

c.电磁换向阀开启，气体泵将气体沿左壳体流道输送至高压泡沫输送腔室的左侧腔室内，推动高压泡沫活塞向右移动，待高压泡沫活塞移动至高压泡沫输送腔室右侧后，电磁换向阀关闭；

d.高压泡沫经输送管路输送至右壳体流道中，进入高压泡沫输送腔室，高压泡沫输送活塞在高压泡沫的作用下向左移动，高压泡沫从钻杆的高压泡沫输送预留孔进入钻杆的中心孔，沿钻杆的中心孔向钻头部运动，高压泡沫在钻杆中心孔的运动过程中，一部分高压泡沫从密封预留孔中流出，对封孔装置的钢丝膨胀胶管形成挤压作用，受压的钢丝膨胀胶管膨胀后紧贴钻孔孔壁，达到密封效果，另一部分高压泡沫从钻头的头部孔隙流入孔底；

e.持续注入高压泡沫，使高压泡沫聚集于孔底形成高压封闭区域，岩体在高压泡沫作用下被涨裂；岩石涨裂后，高压泡沫输送腔室的右侧从高压区变为低压区，此时高压泡沫输送腔室左侧由低压区变为高压区，推动高压泡沫活塞至初始位置，一次涨裂周期结束。

所述气体泵和液体泵分别输送不同的气体和液体，不同的气体和液体的比为3:1。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明提供的基于高压泡沫介质的钻涨凿岩一体机，具有集凿岩、涨裂于一身，利用凿岩机开孔形成自由面，通过高压泡沫压裂作用使岩石内部裂隙扩展和降低岩石力学性能并破碎岩石，不仅具有提高硬岩巷道的开拓效率，降低了工人劳动强度，而且具有高了工作环境的安全性等特点。可实现钻进凿岩机钻涨连续作业，极大缩短了钻进凿岩机钻孔、封孔与涨裂作业时间，有效提高了钻进凿岩机的作业效率，提高了硬岩巷道的开拓效率与工作环境的安全性，降低了工人劳动强度。其结构简单，操作方便，使用效果好，具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中高压泡沫输送腔室的半剖视图；

图3是本发明中高压泡沫输送活塞密封结构的局部放大视图；

图4是本发明中封孔装置的半剖视图。

图中：1-动力装置；2-冲击钻杆左壳体；2-1-左壳体流道；3-钻杆；3-1-高压泡沫输送预留孔；3-2-密封预留孔；4-高压泡沫输送腔室；5-高压泡沫输送活塞；5-1-高压泡沫输送活塞轴密封圈；5-2-高压泡沫输送活塞孔密封圈；6-冲击钻杆右壳体；6-1-右壳体流道；7-封孔装置；7-1-左卡扣；7-2-钢丝膨胀胶管；7-3-封右卡扣；7-4-卡扣配合螺栓口；7-5-钻头尾部密封卡扣端部密封圈；8-钻头；9-气体泵；10-液体泵；11-混合器；12-增压器；13-单向阀；14-高压泡沫输送管路；15-高强螺栓；16-电磁换向阀；17-电机；18-电机输出轴；19-传动小齿轮；20-传动大齿轮；21-冲击活塞。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

如图1、图2和图3所示，本发明的基于高压泡沫介质的钻涨凿岩一体机，包括动力装置1、钻杆3、钻头8、齿轮传动机构和冲击活塞21，钻杆3内部开有连通钻头8的中心孔，钻杆3上设有高压泡沫输送装置，高压泡沫输送装置的后部设置齿轮传动机构和冲击活塞21，封孔装置7卡装在高压泡沫输送装置的前部。

所述的动力装置1包括液压泵、缸体、换向阀，与冲击活塞21通过活塞前导套连接，推动冲击活塞21实现高速往复冲击作用。

所述的齿轮传动机构包括电机17、电机输出轴18、设在电机输出轴18上的传动小齿轮19和与传动小齿轮19相啮合的传动大齿轮20，传动大齿轮20固定在钻杆3上。

所述钻杆3在冲击活塞21与电机轴18带动的传动小齿轮19与传动大齿轮20啮合传动联合作用下，冲击活塞21在动力装置1作用下实现高速往复运动，推动钻杆实现冲击作用，电机17带动齿轮传动机构，大齿轮19与钻杆通过花键配合，大齿轮19旋转带动钻杆3实现回转运动，对进行高压泡沫涨裂工作面的岩石进行冲击钻孔，形成高压泡沫涨裂预钻孔。

所述的高压泡沫生成与输送系统包括经泡沫输送管路14依次连接的单向阀13、增压器12、混合器11、气体泵9、和电磁换向阀16，所述的混合器11上设有液体泵10；通过调节气体泵9与液体泵10的输送流量，实现不同比例的气液混合。在气体泵输送管路、液体泵输送管路、增压器管路和高压泡沫输送管路至左、右壳体流道2-1、6-1均设有单向阀。气体泵9分别与混合器11、左壳体流道2-1通过管路连接，液体泵10与混合器11连接，当气体泵9与液体泵10分别输送气体、液体至混合器11，混合后的泡沫通过增压器12增压后，输送至右壳体流道6-1中。

所述的高压泡沫输送装置包括冲击钻杆左、右壳体2、6、连接在冲击钻杆左、右壳体2、6之间构成高压泡沫输送腔室4的连接管，连接管内设有套装在钻杆3上的高压泡沫输送活塞5，所述的高压泡沫输送活塞5的外径上设有与连接管内壁相密封的高压泡沫输送活塞轴密封圈5-1，内径上设有与钻杆3相密封的高压泡沫输送活塞孔密封圈5-2。所述冲击钻杆左、右壳体2、6上分别设有冲击钻杆左、右壳体流道2-1、6-1，所述冲击钻杆左、右壳体流道2-1、6-1出口连通有高压泡沫生成与输送系统，所述临近右壳体一侧的钻杆3上开有高压泡沫输送预留孔3-1，高压泡沫输送预留孔3-1为2-4个，呈环形排列。；高压泡沫输送腔室4的连接管通过高强螺栓15与冲击钻杆左壳体2和冲击钻杆右壳体6连接，冲击钻杆右壳体在螺栓15的作用下紧贴钻杆3左侧加工凸台。

如图4所示，所述的封孔装置7包括间隔紧固在钻杆3上的用于钻孔底部密封的两个对半圆柱形的左卡扣7-1和右卡扣7-3，两个对半圆柱形的左卡扣7-1和右卡扣7-3上分别设有卡扣配合螺栓口7-4，左卡扣7-1和右卡扣7-3顶靠钻杆3凹槽的两端分别设有钻头尾部密封卡扣端部密封圈7-5，左卡扣7-1和右卡扣7-3与钻杆3之间套装有钢丝膨胀胶管7-2，左卡扣7-1和右卡扣7-3之间的钻杆3上开有多个与钻杆3内孔相通的密封预留孔3-2，密封预留孔3-2为多组，间隔布置，每组2-4个孔，呈环形排列。

本发明的基于高压泡沫介质的钻涨凿岩方法，具体步骤如下：

a.钻涨凿岩时，开启由动力装置1，动力装置1带动冲击活塞21在冲击频率≥36Hz条件下往复运动，使冲击活塞21撞击钻杆3实现钻杆的冲击运动，同时，电机17带动齿轮传动机构动作，齿轮传动机构中的小齿轮19传动大齿轮20并带动钻杆3转动，传动大齿轮20与钻杆3通过花键配合连接，实现钻杆3的回转过程，在冲击与回转联合作用下，钻涨凿岩一体机对岩体进行打孔；

b.在完成钻孔后，通过气体泵9与液体泵10分别输送气体和液体至混合器11中混合，并通过增压器12增压后生成用于涨裂岩石的高压泡沫；气体泵9和液体泵10分别输送气液比为3:1气体和液体，气体和液体分别经过单向阀13输送至混合器11，输送的气体和液体在混合器11的作用下生成低压泡沫，产生的低压泡沫通过增压器12增压后，经右壳体6的流道口6-1流入高压泡沫输送腔室4中。所述气液比例是影响泡沫粘度的主要因素，气体与液体比例＜1时，泡沫具有的粘度较低，比例＞1时，泡沫粘度随着气体注入量的增加而增加；通常取气体液体比例为3:1

c.电磁换向阀16开启，气体泵9将气体沿左壳体流道2-1输送至高压泡沫输送腔室4的左侧腔室内，推动高压泡沫活塞5向右移动，待高压泡沫活塞5移动至高压泡沫输送腔室4右侧后，电磁换向阀16关闭；

d.高压泡沫经输送管路14输送至右壳体流道6-1中，通过流道口6-1进入高压泡沫输送腔室4中，高压泡沫作用于高压泡沫输送活塞5的右端面，推动高压泡沫输送活塞5向左移动，高压泡沫活塞5在向左移动的过程中，高压泡沫从钻杆3的高压泡沫输送预留孔3-1进入钻杆的中心孔，沿钻杆的中心孔向钻头部8运动，高压泡沫在钻杆3中心孔的运动过程中，一部分高压泡沫从密封预留孔3-2中流出，对封孔装置7的钢丝膨胀胶管7-2形成挤压作用，受压的钢丝膨胀胶管7-2膨胀后紧贴钻孔孔壁，起到密封作用，另一部分高压泡沫从钻头8的头部孔隙流入孔底；封孔装置7通过两对半圆柱形左卡扣7-1和右卡扣7-3将钢丝膨胀胶管7-2紧固在钻杆3上，钢丝膨胀胶管可在失效后更换。

e.持续注入高压泡沫，高压泡沫沿钻杆3通孔输送至钻头8预钻孔底用于涨裂岩石，使高压泡沫聚集于孔底形成高压封闭区域，岩体在高压泡沫作用下被涨裂；岩石涨裂后，高压泡沫输送腔室4的右侧从高压区变为低压区，此时高压泡沫输送腔室4左侧由低压区变为高压区，推动高压泡沫活塞5至初始位置，一次涨裂周期结束，实现高压泡沫压裂的连续性。