一种坚硬岩体的掘进装置的制作方法

本发明涉及一种掘进装置，尤其涉及一种坚硬岩体的掘进装置。

背景技术：

能源工业是国民经济的基础产业，也是技术密集型产业。“安全、高效、低碳”集中体现了现代能源技术的特点，也是抢占未来能源技术制高点的主要方向。《国家能源科技“十二五”规划》要求以增强自主创新能力为着力点，用无限的科技解决有限能源与资源的约束，着力提高能源资源的安全、高效开发，推动能源生产和利用方式的变革，规划将能源勘探和开采技术作为四个重点发展领域之一，明确要求研发复杂地质条件下资源安全、高效、节约、环境友好型开采技术与装备，如研制适用于岩石抗压强度100mpa的掘进机，高效井下动力与破岩系统等。随着各类岩石开挖机械在矿山开采、隧道掘进、油气井钻进等实际工程中的广泛应用，对坚硬岩石破碎技术提出了更高的要求和新的挑战。机械破岩具有破碎块度大、作业效率高等优点，其已被广泛运用于矿山开采、建筑工程及资源勘探等领域。然而，现有装备在坚硬岩体掘进施工中，刀具磨损加大，可靠性和工作效率降低，如何实现硬岩的高效破碎已经成为亟待解决的问题和难题，亟需研究新的岩石破碎方法实现坚硬岩石的高效破碎，对实现矿山高效开采、隧道高效掘进乃至我国能源资源的高效开发具有极其重要的意义。

以往主要通过增大机械驱动功率实现机械破碎坚硬岩石，但机械截齿破岩能力没有发生改变，仅增大功率会导致岩石破碎机构的磨损加剧、工作面粉尘量增大，难以有效提升机械的破岩效率，且安全隐患增大。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种坚硬岩体的掘进装置，本发明结构简单，使用方便，本发明先采用高压磨料射流在坚硬岩体上形成大量的岩孔和内部缝隙，大大降低了岩体的强度，并在岩体内部形成大量的自由面，然后采用机械冲击方法对具有岩孔族和裂缝网的岩体部分进行破碎，大大提高机械破岩效率和能力。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

本发明提供一种坚硬岩体的掘进装置，包括右岩体钻孔造缝磨料射流机构、左岩体钻孔造缝磨料射流机构、液压冲击锤、右多自由度机械臂、中间多自由度机械臂、左多自由度机械臂、装载机构、履带行走机构、输送机构、，利用安装在左多自由度机械臂上的左岩体钻孔造缝磨料射流机构、右多自由度机械臂上的右岩体钻孔造缝磨料射流机构在掘进工作面坚硬岩体上按照一定布置方式钻孔造缝并形成岩孔族和裂缝网；利用安装在中间多自由度机械臂上的液压冲击锤破碎具有岩孔族和裂缝网的岩体部分，形成大量的碎落岩块堆积在掘进装备前侧；利用履带行走机构使掘进装备向前推进，装载机构将堆积在掘进装备前侧的碎落岩块运转至输送机构以便从掘进工作面输出；不断重复岩体钻孔造缝、破碎、装载和输送等系列工序，实现坚硬岩体的掘进。

进一步的，所述装载机构、输送机构、均安装在主体机架上，所述主体机架上还安装有高压磨料射流发生系统、液压泵站，所述右多自由度机械臂、左多自由度机械臂和中间多自由度机械臂分别通过回转油缸i、回转油缸iii、回转油缸ii安装在主体机架前端，主体机架安装在履带行走机构上。

进一步的，所述右岩体钻孔造缝磨料射流机构和左岩体钻孔造缝磨料射流机构分别安装在右多自由度机械臂和左多自由度机械臂前端，液压冲击锤安装在中间多自由度机械臂前端，液压泵站输油口通过液压软管分别与右岩体钻孔造缝磨料射流机构的驱动油缸i进油口、左岩体钻孔造缝磨料射流机构的驱动油缸ii进油口和液压冲击锤进油口连接。

进一步的，所述左岩体钻孔造缝磨料射流机构、右岩体钻孔造缝磨料射流机构的进液口分别与高压磨料射流发生系统出液口连接，通过右岩体钻孔造缝磨料射流机构的磨料射流在二位三通换向阀控制下通过双流道钻杆引入至磨料射流钻头的钻孔射流喷嘴和造缝射流喷嘴，左岩体钻孔造缝磨料射流机构射流流通方式与右岩体钻孔造缝磨料射流机构射流流通方式相同。进一步的，所述左岩体钻孔造缝磨料射流机构与右岩体钻孔造缝磨料射流机构结构相同，所述右岩体钻孔造缝磨料射流机构的磨料射流钻头与双流道钻杆固接，双流道钻杆与动力头输出轴固接，双流道动密封组合套与动力头输出轴相配合，双流道动密封组合套外套通过螺钉固定在动力头的壳体上，动力头固定在滑块上，并与导轨相配合，驱动油缸i活塞杆和缸体分别与滑块、导轨固定连接。

进一步的，所述右岩体钻孔造缝磨料射流机构上设有二位三通换向阀，二位三通换向阀处于右位时，高压磨料射流经过双流道动密封组合套上的钻孔磨料射流入口通入动力头输出轴的钻孔流道i，钻孔流道i与双流道钻杆的钻孔流道ii相连接，钻孔流道ii与磨料射流钻头的钻孔流道iii相连接；二位三通换向阀处于左位时，高压磨料射流经过双流道动密封组合套上的造缝磨料射流入口通入动力头输出轴的造缝流道i，造缝流道i与双流道钻杆的造缝流道ii相连接，造缝流道ii与磨料射流钻头的造缝流道iii相连接。

进一步的，所述磨料射流钻头前端表面镶嵌有多个机械齿，钻孔射流喷嘴镶嵌在磨料射流钻头体内，磨料射流钻头体侧面镶嵌造缝射流喷嘴，钻孔射流喷嘴流道与钻孔流道iii相连接，造缝射流喷嘴流道与造缝流道iii相连接。磨料射流钻头体外圆柱面上加工有导屑槽。

进一步的，所述双流道钻杆内部开有造缝流道ii和钻孔流道ii，双流道钻杆上加工有轴肩i和轴肩ii，轴肩i和轴肩ii分别与磨料射流钻头的端面i、动力头输出轴的端面ii配合；双流道钻杆前后端分别设有双圆柱形凸台ii、双圆柱形凹槽ii，双圆柱形凸台ii与磨料射流钻头的双圆柱形凹槽i配合，双圆柱形凹槽ii与动力头输出轴的双圆柱形凸台i配合。

进一步的，所述动力头输出轴、双流道动密封组合套的外套和内套、双流道钻杆上设有密封槽，所述密封槽包括密封圈槽i、密封圈槽ii、密封圈槽iii、密封圈槽iv，所述密封圈槽i、密封圈槽ii、密封圈槽iii为静密封圈凹槽，密封圈槽iv为动密封圈凹槽。

本发明的有益效果：

本发明左岩体钻孔造缝磨料射流机构和右岩体钻孔造缝磨料射流机构利用磨料射流辅助钻孔，并利用高压磨料射流对岩体造缝，能最大限度地降低坚硬岩体抗切削能力，降低了机械截齿破碎坚硬岩石的难度，提高坚硬岩石破碎效率。该装置不仅可以降低坚硬岩体破碎难度，提高坚硬岩体破碎效率，还能够避免机构工作时钻头过度磨损，对实现坚硬岩石巷道和隧道高效掘进具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明坚硬岩体掘进装备及方法示意图；

图2是右岩体钻孔造缝磨料射流机构示意图；

图3是图2中的a处放大图；

图4是本发明磨料射流钻头示意图；

图5是本发明双流道钻杆剖视图；

图6是本发明双流道动密封组合套剖视图；

图7是本发明动力头输出轴剖视图。

图中：1—坚硬岩体；2—岩孔族；3—裂缝网；4—碎落岩块；5—右岩体钻孔造缝磨料射流机构；6—左岩体钻孔造缝磨料射流机构；7—液压冲击锤；8—右多自由度机械臂；9—中间多自由度机械臂；10—左多自由度机械臂；11—主体机架；12—装载机构；13—履带行走机构；14—输送机构；15—高压磨料射流发生系统；16—液压泵站；5-1—驱动油缸i；5-2—磨料射流钻头；5-3—双流道钻杆；5-4—动力头；5-5—滑块；5-6—导轨；5-7—静密封套；5-8—静密封圈i；5-9—静密封圈ii；5-10—双流道动密封组合套；5-11—动密封圈；5-12—动力头输出轴；5-13—二位三通换向阀；5-1-1—活塞杆；5-1-2—缸体；5-2-1—机械齿；5-2-2—导屑槽；5-2-3—钻孔射流喷嘴；5-2-4—磨料射流钻头体；5-2-5—造缝流道iii；5-2-6—钻孔流道iii；5-2-7—双圆柱形凹槽i；5-2-8—端面i；5-2-9—造缝射流喷嘴；5-2-10—磨料射流钻头非圆形内连接头i；5-3-1—密封圈槽iii；5-3-2—双流道钻杆非圆形外连接头i；5-3-3—轴肩i；5-3-4—造缝流道ii；5-3-5—钻孔流道ii；5-3-6—挡圈凹槽；5-3-7—双流道钻杆非圆形内连接头ii；5-3-8—轴肩ii；5-3-9—双圆柱形凹槽ii；5-3-10—双圆柱形凸台ii；5-10-1—双流道动密封组合套外套；5-10-2—双流道动密封组合套内套；5-10-3—造缝磨料射流入口；5-10-4—钻孔磨料射流入口；5-10-5—密圈圈槽i；5-10-6—紧固螺钉；5-12-1—密封圈槽ii；5-12-2—动力头输出轴非圆形外连接头ii；5-12-3—造缝流道i；5-12-4—钻孔流道i；5-12-5—密封圈槽iv；5-12-6—端面ii；5-12-7—双圆柱形凸台i；6-1—驱动油缸ii；8-1—回转油缸i；9-1—回转油缸ii；10-1—回转油缸iii。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：如图1至图3所示，本发明一种坚硬岩体的掘进装备，主要包括右岩体钻孔造缝磨料射流机构5、左岩体钻孔造缝磨料射流机构6、液压冲击锤7、右多自由度机械臂8、中间多自由度机械臂9、左多自由度机械臂10、主体机架11、装载机构12、履带行走机构13、输送机构14、高压磨料射流发生系统15、液压泵站16。所述的装载机构12、输送机构14、高压磨料射流发生系统15、液压泵站16均安装在主体机架11上，右多自由度机械臂8、左多自由度机械臂10和中间多自由度机械臂9分别通过回转油缸i8-1、回转油缸iii10-1、回转油缸ii9-1安装在主体机架11前端，主体机架11安装在履带行走机构13上。右岩体钻孔造缝磨料射流机构5和左岩体钻孔造缝磨料射流机构6分别安装在右多自由度机械臂8和左多自由度机械臂10前端，液压冲击锤7安装在中间多自由度机械臂9前端，液压泵站16输油口通过液压软管分别与右岩体钻孔造缝磨料射流机构5的驱动油缸i5-1进油口、左岩体钻孔造缝磨料射流机构6的驱动油缸ii6-1进油口和液压冲击锤7进油口连接。高压磨料射流发生系统15出液口分别与右岩体钻孔造缝磨料射流机构5进液口连接，磨料射流在二位三通换向阀5-13控制下通过双流道钻杆5-3引入至磨料射流钻头5-2的钻孔射流喷嘴5-2-3和造缝射流喷嘴5-2-9，左岩体钻孔造缝磨料射流机构6射流流通方式与右岩体钻孔造缝磨料射流机构5射流流通方式相同。

左岩体钻孔造缝磨料射流机构6与右岩体钻孔造缝磨料射流机构5结构相同，右岩体钻孔造缝磨料射流机构5的磨料射流钻头5-2与双流道钻杆5-3固接，双流道钻杆5-3与动力头5-4输出轴5-12固接，双流道动密封组合套5-10与动力头5-4输出轴5-12相配合，双流道动密封组合套5-10外套5-10-1通过螺钉固定在动力头5-4的壳体上，动力头5-4固定在滑块5-5上，并与导轨5-6相配合，驱动油缸i5-1活塞杆5-1-1和缸体5-1-2分别与滑块5-5、导轨5-6固定连接。

如图4至图7所示，磨料射流钻头5-2非圆形内连接头i5-2-10与双流道钻杆5-3非圆形外连接头i5-3-2固接，双流道钻杆5-3的非圆形内连接头ii5-3-7与动力头输出轴5-12的非圆形外连接头ii5-12-2固接，它们都利用静密封套5-7和静密封圈i5-8、静密封圈ii5-9实现静密封，非圆形内连接头ii5-3-7上还对应设置有挡圈凹槽5-3-6，双流道动密封组合5-10与动力头5-4的输出轴5-12相配合，双流道动密封组合套5-10外套5-10-1通过螺钉固定在动力头5-4的壳体上，双流道动密封组合套5-10的内套5-10-2通过紧固螺钉5-10-6固定在双流道动密封组合套5-10的外套5-10-1上。动力头5-4的输出轴5-12中的钻孔流道i5-12-4与双流道钻杆5-3的钻孔流道ii5-3-5相连接，钻孔流道ii5-3-5与磨料射流钻头5-2的钻孔流道iii5-2-6相连接；动力头5-4输出轴5-12的造缝流道i5-12-3与双流道钻杆5-3的造缝流道ii5-3-4相连接，造缝流道ii5-3-4与磨料射流钻头5-2的造缝流道iii5-2-5相连接。

所述右岩体钻孔造缝磨料射流机构5上设有二位三通换向阀5-13，二位三通换向阀5-13处于右位时，高压磨料射流经过双流道动密封组合套5-10上的钻孔磨料射流入口5-10-4通入动力头5-4输出轴5-12的钻孔流道i5-12-4，钻孔流道i5-12-4与双流道钻杆5-3的钻孔流道ii5-3-5相连接，钻孔流道ii5-3-5与磨料射流钻头5-2的钻孔流道iii5-2-6相连接；二位三通换向阀5-13处于左位时，高压磨料射流经过双流道动密封组合套5-10上的造缝磨料射流入口5-10-3通入动力头5-4输出轴5-12的造缝流道i5-12-3，造缝流道i5-12-3与双流道钻杆5-3的造缝流道ii(5-3-4)相连接，造缝流道ii5-3-4与磨料射流钻头5-2的造缝流道iii5-2-5相连接。

磨料射流钻头5-2前端表面镶嵌有多个机械齿5-2-1，钻孔射流喷嘴5-2-3镶嵌在磨料射流钻头体5-2-4内，磨料射流钻头体5-2-4侧面镶嵌造缝射流喷嘴5-2-9，钻孔射流喷嘴5-2-3流道与钻孔流道iii5-2-6相连接，造缝射流喷嘴5-2-9流道与造缝流道iii5-2-5相连接。磨料射流钻头体5-2-4外圆柱面上加工有导屑槽5-2-2。

双流道钻杆5-3内部开有造缝流道ii5-3-4和钻孔流道ii5-3-5，双流道钻杆5-3上加工有轴肩i5-3-3和轴肩ii5-3-8，轴肩i5-3-3和轴肩ii5-3-8分别与磨料射流钻头5-2的端面i5-2-8、动力头5-4输出轴5-12的端面ii5-12-6配合；双流道钻杆5-3前后端分别设有双圆柱形凸台ii5-3-10、双圆柱形凹槽ii5-3-9，双圆柱形凸台ii5-3-10与磨料射流钻头5-2的双圆柱形凹槽i5-2-7配合，双圆柱形凹槽ii5-3-9与动力头5-4输出轴5-12的双圆柱形凸台i5-12-7配合。

如图1至图7，所述的坚硬岩体掘进装备掘进工艺：首先，利用安装在左多自由度机械臂10上的左岩体钻孔造缝磨料射流机构6、右多自由度机械臂8上的右岩体钻孔造缝磨料射流机构5在掘进工作面坚硬岩体1上按照一定布置方式钻孔造缝并形成岩孔族2和裂缝网3；其次，利用安装在中间多自由度机械臂9上的液压冲击锤7破碎具有岩孔族2和裂缝网3的岩体部分，形成大量的碎落岩块4堆积在掘进装备前侧；然后，利用履带行走机构13使掘进装备向前推进，装载机构12将堆积在掘进装备前侧的碎落岩块4运转至输送机构14以便从掘进工作面输出。不断重复岩体钻孔造缝、破碎、装载和输送等系列工序，实现坚硬岩体1的掘进。

本发明坚硬岩体掘进装备工作原理：掘进装备施工作业时，操纵操控台启动高压磨料射流发生系统15和液压泵站16，将具有一定压力的液压油通入左岩体钻孔造缝磨料射流机构6、右岩体钻孔造缝磨料射流机构5的驱动油缸ii6-1和驱动油缸i5-1，使左岩体钻孔造缝磨料射流机构6、右岩体钻孔造缝磨料射流机构5在掘进工作面按照一定布置方式形成岩孔族2和裂缝网3，岩孔族2和裂缝网3完成时利用左多自由度机械臂10、右多自由度机械臂8分别将左岩体钻孔造缝磨料射流机构6、右岩体钻孔造缝磨料射流机构5收回并置于掘进装备的后侧。操纵操控台控制装配于掘进机主体机架11中间上的中间多自由度机械臂9使安装于其上的液压冲击锤7破碎具有岩孔族2和裂缝网3的坚硬岩体1，大量碎落的岩块4堆积在掘进装备的前侧，利用中间多自由度机械臂9收回液压冲击锤7。操纵操控台履带行走机构13带动掘进装备向前推进，同时装载机构12将堆积在掘进装备前侧的破落岩块运转至输送机构14以便输送出掘进工作面。不断重复岩体钻孔造缝、破碎、装载和输送等系列工序，可以实现坚硬岩体巷道或隧道高效施工。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。