高压磨料射流切缝机的制作方法

本发明涉及岩土施工作业设备，尤其涉及一种矿业用地下岩层顶板的高压磨料射流切缝机。

背景技术：

n00工法采煤工艺的突破性研究，是以何满潮院士创新性提出的一种无巷道掘进、无煤柱留设的采煤方法，在矿井开采区域内，工作面自采自留，实现采掘一体化，实现“n”个工作面无煤柱开采。该方法在进行盘区中每个工作面开采时，利用采空区的一部分，实施切顶卸压自动成巷，不再需要掘进任何顺槽巷道，也不再需要留设煤柱，从而节约资源，提高效率，n00工法的相关技术可参见cn105240013a。n00工法的一个特点是，在开采过程中需要切顶卸压并留巷，该留巷位置靠近下一个工作面，所留巷道成为下一个工作面的上顺槽，而在这个过程中需要进行留巷顶板定向切缝施工。定向切缝施工包括钻孔施工和沿着钻孔定向切割连通钻孔两个过程。工作过程具体的是，首先在顶板岩层中预先钻进几个钻孔，形成定向造缝的钻孔(由切缝钻机完成施工)，然后再通过切缝机将这些钻孔定向连通。

高压磨料水射流是近年来迅速发展的一种新技术，其技术原理是将一定粒度的磨料粒子加入到高压纯水射流中，形成具有极高速度的磨料粒子流，磨料射流可以实现对物料的切割。与现有的各种切割方法相比，磨料射流具有以下特点：(1)是唯一的一种冷切割手段，切割时不会产生火花，无热影响区，对于地下煤矿、天然气等的开采，十分安全；(2)能量传输方便，可利用软管将高压水远距离输送至喷头进行切割；(3)切割时无振动和噪声；(4)可以对金属或非金属等多种材料进行切割。为此，高压磨料射流切割技术常用于岩层钻掘领域。

例如现有技术cn105863630a涉及一种切缝钻，该设备的特点是输砂管装置上安装了测压适配器、压力传感器和空气流量计等监测装置，根据监测状态使切割系统做出反应。通过采集这些监测装置的数据并发送到计算机，由此判断磨料输送管中的磨料流动状态以及所述切割机的喷嘴工作状态，使磨料切割机能够在较低的工作压力下完成对物料的高效切割，并及时判断磨料是否堵塞磨料输送管，避免喷嘴破损对目标材料造成损坏。

根据n00工法的施工要求，钻孔的深达15m左右，需要单缝切割长度达到7000-8000mm，且切缝时要实现将预先形成的钻孔进行精确地定向连通。在造缝过程中，由于高压泵重量高达400kg以上，出于保证高压泵工作参数稳定性考虑，其不可能随着造缝器移动，因而连接在高压泵与钻缝器之间的高压胶管，至少还应加上7-8m的预留长度来供钻缝器在钻孔内移动，并保障顺利输送高压磨料射流至钻缝器的喷嘴处。然而，如此之长的高压胶管一旦发生缠绕、卷折或内凹变形等情况，则会严重影响高压磨料射流的输送，严重影响钻缝器的正常工作，造成切割力度不够或切割力呈脉冲式波动；而且因高压胶管表面的褶皱内凹而蓄积的高压势能，也会给设备的连接处造成损坏，甚至引起高压胶管爆裂。根据高压胶管的使用规范，高压胶管应防止负重拖拉(擦地拖曳)、弯折和尖利物体的刻画。

显然，该现有技术的钻掘设备未考虑到这些实际工况所带来的问题，在实际生产应用中，无法满足n00工法的施工要求。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的为提供一种高压磨料射流切缝机，能够实现按照造缝器设定的运行速度来输送高压胶管，避免高压胶管发生弯折、卷折和凹陷等变形所带来的高压射流水力变化，从而保证高压磨料射流切缝机的切缝能力的稳定性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高压磨料射流切缝机，其包括一个高压泵、加磨料装置和输送装置，其中所述高压泵用于形成高压水射流，并通过一高压胶管输送，所述加磨料装置连接所述高压胶管，将磨料混入到所述高压水射流中形成高压磨料射流；所述高压胶管连接一个造缝器，所述高压胶管将形成的高压磨料射流输送到所述造缝器，由所述造缝器喷射出所述高压磨料射流，对煤层进行切割；所述输送装置包括一个造缝器输送装置和一个高压胶管输送装置；所述造缝器输送装置固定和输送所述造缝器；所述高压胶管输送装置包括一个卷绕机构，通过所述卷绕机构释放或卷收所述高压胶管输送所述高压胶管，所述高压胶管输送装置输送所述高压胶管的速度与所述造缝器输送装置输送所述造缝器的速度保持同步。

根据本发明一实施方式，所述卷绕机构包括一个卷绕筒和一个卷绕马达，所述卷绕筒被所述卷绕马达驱动而产生正转或反转，从而释放或卷收所述高压胶管。

根据本发明一实施方式，所述高压胶管输送装置还包括一个排绳器，设于所述卷绕筒的一旁侧，其设有一个供所述高压胶管穿过的限位通道；所述高压胶管穿过所述排绳器受所述排绳器牵引，使所述卷绕筒在转动回收所述高压胶管时，被卷收的高压胶管能有序地排列在所述卷绕筒表面。

根据本发明一实施方式，所述高压胶管输送装置还包括一个第一摩擦轮输送装置，所述第一摩擦轮输送装置设于所述卷绕筒的一旁侧，并借助其转动与所述高压胶管产生的摩擦力辅助所述高压胶管的输送。

根据本发明一实施方式，所述造缝器输送装置包括一个固定所述造缝器的升降定位装置，所述升降定位装置包括一个升降架，所述升降架由一个升降液压缸驱动，使所述升降架能够上下升降，所述造缝器安装在所述升降架上。

根据本发明一实施方式，所述造缝器输送装置还包括一个第二摩擦轮输送装置，安装在所述升降架上；所述第二摩擦轮输送装置能够随所述升降架上升，且所述第二摩擦轮输送装置借助转动时与所述造缝器表面产生的摩擦力来使所述造缝器在煤层的钻孔内上下移动。

根据本发明一实施方式，所述输送装置包括一个安装底座和设于安装底座上的固定架，所述造缝器输送装置及所述高压胶管输送装置均安装在该固定架上。

根据本发明一实施方式，所述固定架与所述安装底座之间设有调节定位组件，所述调节定位组件能够调节所述固定架相对于所述安装底座实现以下几个或一个维度的调节：左右移动、水平回转、前后偏转。

根据本发明一实施方式，所述钻缝器为一个中间具有流体通道的密封钻杆，在所述钻杆顶端设有喷嘴，所述喷嘴的开口沿所述密封钻杆的径向朝外设置。

根据本发明一实施方式，所述升降架上设有废水回收装置，所述废水回收装置正对地设于所述造缝器的下方，通过所述升降架的上升移动，所述废水回收装置卡接在煤层顶板并封住所述钻孔的开口。

根据本发明一实施方式，升降架首先将所述造缝器输送对齐顶板岩层的某一钻孔，然后升降架上的第二摩擦轮输送装置开始工作，通过其摩擦力将所述造缝器沿着所述钻孔上升至最高位置。

本发明实施例提供的高压磨料射流切缝机，其工作过程如下：

卷绕筒开始运行输送高压胶管→第一摩擦轮装置开始运行→升降液压缸伸出，升降架将造缝器推至岩层钻孔的孔口位置→第二摩擦轮装置开始运行→输送造缝器到位(计数器显示)→第二摩擦轮装置停止运行→卷绕筒停止输送高压胶管→第一摩擦轮装置停止运行→高压磨料射流开启→切缝工作开始→第二摩擦轮装置反向运行→造缝器回缩→第一摩擦轮装置反向运行→卷绕筒反向运行卷收高压胶管→切割到位→升降液压缸回缩，造缝器离开钻孔→进入下一个钻孔切割，重复上述动作。以上工作程序由plc控制器等控制模块预先设定，并配合传感器实现。

本发明实施例提供的高压磨料射流切缝机的技术效果：

本发明中所述高压胶管输送装置输送所述高压胶管的速度与所述造缝器输送装置输送所述造缝器的速度保持同步，亦即所述高压胶管输送装置工作时，它是按照造缝器工作时移动的速度(包括进退的移动方向和移动速度大小)来输送和收回高压胶管，避免高压胶管因过于冗长而负重在地面拖拉、弯折折损、导致被其他设备的边角刻画造成高压胶管爆裂和破损。

其中所述输送装置的卷绕机构可将高压胶管有序地卷收，不影响高压胶管内部输送的高压磨料射流的顺畅流动，可保证造缝器喷射高压磨料射流的参数处于稳定状态，提高切缝质量。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1为本发明高压磨料射流切缝机整体结构示意图。

图2为本发明高压磨料射流的输送装置正面结构示意图。

图3为本发明高压磨料射流的输送装置右侧面结构示意图。

图4为本发明高压磨料射流的输送装置左侧面结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

图1是本发明高压磨料射流切缝机整体结构示意图，主要包括高压泵10、高压胶管20、加磨料装置30、输送装置40、造缝器50；其中高压泵10还连接一个水箱11，在输送装置40上安装有造缝器50。造缝器50为一个中间具有供高压磨料射流流动通道的密封钻杆51，在密封钻杆51的上端部设有喷嘴52，喷嘴52将高压磨料射流j从密封钻杆51所在轴线的径向喷出，利用高速高压的磨料粒子对煤层进行切割。

高压泵10为切割机提供液压动力源，其抽汲水箱11内的水，经排液阀吸入和排出，从而使电能转换成液压能，输出高压水射流进入高压胶管20。

高压泵10的高压排液出口处装有调整好的高压安全阀，从而保证了液压系统工作的可靠性。加磨料装置30连接高压胶管20，所述加磨料装置30是一个加砂装置，可以将磨料(砂子)加入到高压胶管20内，与高压水射流混合后形成高压磨料射流。

输送装置40，主要用于定向造缝过程中定向输送造缝器50，在该过程中收输送装置40还可以根据需要的速度收放高压胶管20。

为了实现该功能，本发明的输送装置40包括两个作用和功能：定向输送造缝器和按需输送高压胶管。具体可结合图2-4所示实施例来理解，输送装置40包括安装底座41、调节定位组件42、固定架43、卷绕机构44、排绳器45、第一摩擦轮输送装置46、升降定位装置47和第二摩擦轮输送装置48。其中，所述卷绕机构44、排绳器45、第一摩擦轮输送装置46组成一个高压胶管输送装置用于按需要的速度输送或回收高压胶管20；所述升降定位装置47、第二摩擦轮输送装置48组成造缝器输送装置用于输送或回收造缝器50。

结合图2-图4，安装底座41设有若干的安装螺栓孔，安装时可直接将输送装置40摆放在工作面的钢板上，配合螺栓孔连接于钢板，安装底座41还可以配合一调平机构，使输送安装保持平稳。安装底座41上为固定架43，固定架43与安装底座41之间设有调节定位组件42，通过这些调节定位组件42，可将固定架43相对安装底座41做例如左右移动、水平回转、前后偏转中的一个或几个维度上的调节。这一部分为本领域技术人员可利用现有技术即可实现，故不详述调节定位组件42的具体结构。

在固定架43安装的卷收机构44，包括一个卷绕筒441和一个卷绕马达442，卷绕马达442带动卷收441正反向转动，而高压胶管20缠绕于所述卷收筒441表面。当卷绕筒441转动时，根据转动方向的不同，可以将高压胶管20进行收卷或者释放，具体是卷收还是释放，需要根据造缝器50的工作状态来进行，在造缝器50相对卷收筒441远离移动的过程中，卷收筒441将对高压胶管20进行释放，反之则卷收。如图3所示，卷绕马达442通过一个皮带带动卷绕筒441转动。由于高压胶管20被卷绕在卷绕筒441上，在施工的任何时候，都不会因高压胶管20太过冗长而发生弯折、表面凹陷、在地面拖拽或与施工设备产生缠绕、钩挂、甚至划破等问题；同时均匀卷收在卷绕筒441表面的高压胶管20也不影响其内部高压磨料射流的正常流动。

在卷绕筒441的一旁侧，还设有一个排绳器45，排绳器45可设有供高压胶管20穿过的导引件，该导引件可为一个可供高压胶管20穿过的限位通道，如一个空心圆筒等。排绳器45设置的作用是防止卷绕筒441卷收高压胶管20时，高压胶管20紊乱/重叠地缠绕在其表面，导致高压胶管20的各管段相互挤压甚至发生变形，影响高压磨料射流在高压胶管20内的流动。因此，排绳器45的作用是高压胶管20能有序地排列卷绕在所述卷绕筒441表面。

第一摩擦轮输送装置46设于该卷绕筒441的一旁侧。由于卷绕马达442可带动卷绕筒441同步转动，而卷绕筒441转动时又可以通过一个皮带连动，使第一摩擦轮输送装置46实现转动。高压胶管20与第一摩擦轮输送装置46接触，第一摩擦轮输送装置46的摩擦轮具有较大的摩擦系数，借助摩擦力对高压胶管20进行辅助的推动和输送。

所述升降定位装置47包括一个升降架471，密封钻杆51安装在升降架471上。升降架471通过一个升降液压缸472推动，配合一个导向筒组件473，使升降架471可相对固定架43沿着导向筒组件473直上直下地升降移动，在移动过程中升降架471带动密封钻杆51及密封钻杆51顶端的喷嘴52进入煤层的钻孔h的开口内(结合图1所示)。钻孔h深度可达到0-15m，其是通过特殊的钻机事先施工形成。在升降架471还安装一个废水回收装置60，该废水回收装置60正对设于密封钻杆51的下方，且废水回收装置60卡接岩层顶板c，封住钻孔h的开口，回收切割时产生的高压磨料射流的废水，收集汇入井下现有污水箱，回收比率80％以上。

升降液压缸472伸长到位后，再由第二摩擦轮输送装置48通过转动相对密封钻杆51的表面的摩擦力，移动密封钻杆51向钻孔h的深处移动，密封钻杆51同时受到升降架471和第二摩擦轮输送装置48的固定作用，使密封钻杆51在喷嘴52径向喷射高压磨料射流j进行煤层切割工作中时，其轴线方向能够始终保持在初始状态，不会因喷出的高压磨料射流j的反作用力而随意晃动或抖动发生角度或位置上的偏离，影响切割精度。

此外，在所述输送装置40的固定架43还设有起动器70。起动器70主要用于控制高压泵10的启动与停止。该起动器70适用于煤矿井下及其周围介质中有甲烷、煤尘等爆炸性混合物气体的环境中，在交流50hz，电压380v、660v或1140v，额定电流至400a的电路中，直接或远距离控制矿用隔爆型三相鼠笼式异步电动机的起动、停止之用，并可在被控电动机停止时进行换向。

本发明的工作原理是：本发明切缝机采用高压磨料射流定向切割煤层形成定向连通切缝槽。本发明是为适应n00工法而新研发的专用设备，对钻孔h实施定向造缝，以达到定向连通钻孔h的目的，具有定向造缝效率高、操作安全简单等特点。施工时，高压泵10可选用南京六合煤矿机械有限责任公司制造的bzw200型高压泵提供动力源，经加磨料装置30混入磨料，形成的高压磨料射流，先后流经高压胶管20和密封钻杆51，从喷嘴52射出，利用高压磨料射流分别沿4个钻孔h的径向向相邻的钻孔h造缝，定向连通所有钻孔h，形成定向切缝。本发明切缝机是利用输送装置40实现密封钻杆51的定向输送和高压胶管20的按需输送。废水由废水回收装置60收集汇入井下污水箱。

如图2-4的高压胶管20输送装置可分为四组，故可四组同时输送或分成两组分别输送，具体情况根据需连通的钻孔的数量确定。

除了设置在升降架471上的所述第二摩擦轮输送装置48外，可以辅助性地另设置一组或一组以上的摩擦轮输送装置(设于固定架43)，相较于第二摩擦轮输送装置48，较佳系对应于密封钻杆51的中段或下段位置。升降架471的升降行程可设定为700mm。

施工时，先依次将高压泵10、输送装置40、起动器70等吊装到井下，安装在干净而安全的地点，输送装置40通过其安装底座41配合螺栓，直接固定在工作面的钢板上，保持各部位平稳。输送装置40安装到位后，连接好高压胶管20，检查水、电、气是否供应正常，有无泄漏等现象。检查各种连接件是否连接牢固。根据需要的高压胶管20的输送速度，调节好卷绕马达442的转速、第一摩擦轮输送装置46的转速、升降液压缸472的运行速度，使三者速度匹配，协调一致。通过输送装置40的调节定位组件42，进行多位置多角度调整，使高压胶管20与钻孔h的位置、方向和距离基本适应。

本发明的高压磨料射流切缝机工作过程如下：

首先利用输送装置40将造缝器50的喷嘴52定向输送至钻孔h孔底，开启高压泵10，并将压力迅速升高至20-30mpa，开启加磨料装置30的开关，迅速将高压泵泵压升高至40-50mpa(视具体岩石强度定)，利用输送装置40将造缝器50的切割速度控制在0.5-1m/min的(根据具体情况定)下行速度切缝；保持压力和切割速度不变，直至预定切割长度；降低泵压至5mpa，关闭加磨料装置，将造缝器50的喷嘴52退至距钻孔h孔口约2m处，关闭高压泵10，关闭电源及切断水源；退出喷嘴52。具体操作执行过程如下：

卷绕筒441开始运行输送高压胶管20→第一摩擦轮装置46开始运行→升降液压缸472伸出，升降架471将喷嘴52推至钻孔h的孔口位置→第二摩擦轮装置48开始运行→输送喷嘴52到位(计数器显示)→第二摩擦轮装置48停止运行→卷绕筒441停止转动→第一摩擦轮装置46停止运行→高压磨料射流开启→切缝工作开始→第二摩擦轮装置48反向运行→喷嘴52下行(回缩)→第一摩擦轮装置46反向运行→卷绕筒441反向运行卷收高压胶管20→切割到位→升降液压缸472回缩，喷嘴52离开钻孔h→进入下一个钻孔切割，重复上述动作。以上工作程序由plc控制器等控制模块预先设定，并配合传感器实现。

其中卷绕筒441的正转、停止、反转、停止和第一摩擦轮装置46的正转、停止、反转、停止的动作总是同步进行或略有极短的时间间隔，如1-2s的时间间隔。而第二摩擦轮装置48的正转、停止、反转、停止与卷绕筒441及第一摩擦轮装置46允许不同步进行，有较短时间延迟是允许的，例如5-10s都是可以的。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。