扩孔式截割装置和掘进机的制作方法

本实用新型涉及巷道掘进设备技术领域，尤其涉及扩孔式截割装置和掘进机。

背景技术：

伴随我国社会经济发展水平的提高，年青技术工人占比迅速减少，掘进工作面凸显后继无人的紧迫局面。我国煤炭巷道掘进面临成巷速度慢，机械化、自动化水平低等问题。工作面回采与巷道成巷速度的矛盾导致了采掘接续紧张，阻碍了煤矿科学产能的进一步提升。因此，实现煤巷快速掘进，实施机械化减人，自动化换人，提升成巷速度已成为煤矿高产高效的必然要求。

目前，以悬臂式掘进机为主的煤巷掘进工艺的支护施工和掘进施工无法同时进行，阻碍了煤巷掘进施工的效率提升。悬臂式掘进机是目前煤炭巷道掘进的主要机型，该类型掘进机存在2个主要问题：

(1)悬臂较长，占用空间过大，悬臂的长度占用了支护作业的空间，从而造成了掘进和支护施工的工序分离，即先掘进后支护，掘进施工和支护作业无法同时进行。

(2)悬臂式掘进机在巷道掘进施工中需要左右移动机身，才能实现巷道全断面的截割，无法在不移动机身的情况下实现巷道掘进和出煤，从而耗时更长，阻碍了掘进效率的提升。

为了在不移动机身的情况下掘进和出煤，技术人员提出了矩形全断面掘进机，全断面掘进机的截割部可以一次实现巷道全断面的截割和推进。但全断面掘进机还处在研发阶段，在煤炭巷道掘进中应用相对较少。同时，全断面推进的阻力大，当遇到坚硬地质工况时(如岩石)时，往往存在推进不了的情况；且全断面截割部的方向控制困难，容易造成掘进方向偏差。

结合上述，现有技术中，影响煤巷掘进速度的主要因素是巷道支护工艺复杂、推进阻力大、占用时间长、难以实现全断面截割。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种扩孔式截割装置，实现扩孔钻挖，扩孔钻挖与巷道支护能够同时进行，缩短施工时间，适用于推进阻力大的工况。

本实用新型还提出一种掘进机。

根据本实用新型第一方面实施例的扩孔式截割装置，包括：

第一截割部，所述第一截割部包括第一刀体、支撑杆和转动驱动件，所述支撑杆连接于所述转动驱动件，所述第一刀体铰接于所述支撑杆，所述第一刀体在外力驱动下向远离所述支撑杆的方向打开或向靠近所述支撑杆的方向收缩，所述转动驱动件通过所述支撑杆带动所述第一刀体转动。

根据本实用新型实施例的扩孔式截割装置，能够有效解决掘进机在坚硬地质条件下推进困难的问题，可实现掘进机的高效掘进；扩孔掘进施工与巷道支护施工实现同时、平行作业；支护作业可以紧跟扩孔式截割装置进行支护，有效缩短空顶距，提高了施工安全性；可用于岩巷、煤巷及半煤岩巷中。

根据本实用新型的一个实施例，还包括：第二截割部，所述第一截割部设于所述第二截割部的前进方向；

所述第二截割部包括第二刀体，所述第二刀体在所述第一截割部的外周至少设有一个。

根据本实用新型的一个实施例，所述第二截割部还包括第三刀体，所述第二刀体位于所述第三刀体的前进方向，所述第三刀体的刀片中至少有两个所述刀片的外端到其转动轴线的长度不同。

根据本实用新型的一个实施例，所述第三刀体套设于所述第二刀体上，所述第三刀体与所述第二刀体共轴线转动，所述第三刀体为相对于其转动轴线的偏心结构。

根据本实用新型的一个实施例，所述第二刀体与所述第三刀体至少设有四组，并分布于所述第一截割部的外周形成矩形截割面。

根据本实用新型的一个实施例，相邻所述第二刀体和/或相邻所述第三刀体的轴向长度不同。

根据本实用新型的一个实施例，还包括支撑架，所述第一截割部和所述第二截割部均连接于所述支撑架，所述支撑架为矩形架，所述支撑架的四周设有修形切削齿。

根据本实用新型的一个实施例，至少两个所述第二截割部到所述支撑架的距离不同。

根据本实用新型的一个实施例，所述支撑杆与所述第一刀体之间连接有导向支撑组件，所述导向支撑组件包括滑动件和加强杆，所述滑动件滑动连接于所述支撑杆，所述加强杆的两端分别铰接所述滑动件与所述第一刀体。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一截割部还包括伸缩驱动件，所述伸缩驱动件的两端分别连接所述第一刀体与所述支撑杆，所述伸缩驱动件伸缩以带动所述第一刀体打开或收缩。

根据本实用新型第二方面实施例的一种掘进机，包括所述的扩孔式截割装置。

本实用新型实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

第一截割部在掘进机的驱动下前进，同时第一刀体进行旋转钻进；第一刀体钻进到设定深度后，第一刀体可相对于支撑杆打开，以进行扩孔钻挖，实现了扩孔截割。在第一刀体扩孔截割的过程中，掘进机固定，掘进机上的支护装置可进行支护作业，掘进施工与支护施工同步进行，施工效率提高，及时支护提高安全性，同时空顶距缩小，进一步提高安全性。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的扩孔式截割装置的正视结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的扩孔式截割装置的立体结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的扩孔式截割装置的第一刀体收缩状态的侧视结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的扩孔式截割装置的第一刀体打开状态的侧视结构示意图。

图5是本实用新型实施例提供的扩孔式截割装置的第二刀体与第三刀体的连接关系示意图；

附图标记：

1、第二刀体；2、第三刀体；3、第一刀体；4、支撑架；5、伸缩驱动件；6、支撑杆；7、导向支撑组件；71、滑动件；72、加强杆；8、结构中心；9、转动中心。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。

在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

结合图1-图5所示，本实用新型的一个实施例，提供一种扩孔式截割装置，包括：第一截割部，第一截割部包括第一刀体3、支撑杆6和转动驱动件，支撑杆6连接于转动驱动件，第一刀体3铰接于支撑杆6，第一刀体3在外力驱动下向远离支撑杆6的方向打开或向靠近支撑杆6的方向收缩，转动驱动件通过支撑杆6带动第一刀体3转动。

其中，第一刀体3铰接于支撑杆6的位置一般为其端部，外力驱动第一刀体3远离或靠近支撑杆6的位置可以为与其铰接端有一定间距的任意位置。当第一刀体3设有多个时，第一刀体3相对于支撑杆6打开形成锥形，类似于伞的打开状态。

转动驱动件的壳体固定设置，转动驱动件的输出端连接支撑杆6并能带动支撑杆6转动，第一刀体3连接于支撑杆6并与支撑杆6同步转动。其中，转动驱动件可以为电机、液压马达等可提供转动动力的设备。

掘进施工开始后，第一刀体3与支撑杆6保持相对固定状态(如图3所示的收缩状态)，转动驱动件驱动支撑杆6旋转运动，掘进机驱动第一截割部进入待掘进工作面并为第一截割部提供前进动力，第一截割部前进并旋转钻挖形成锥形的孔洞。

第一截割部进入到待掘进工作面设定深度后，即第一截割部向前推进到目标位置后，掘进机停止前进，第一截割部不再前进。此时，第一刀体3在外力驱动下相对于支撑杆6逐渐打开(如图4所示的打开状态)，并且第一刀体3与支撑杆6同步转动以进行扩孔钻挖。由于扩孔钻挖过程中，掘进机不移动，掘进机可以同时进行支护工作，实现同步掘进与支护，提高施工效率。

当第一刀体3打开到极限位置(即不能继续打开)且完成钻挖时，转动驱动件停止驱动，外力驱动第一刀体3向支撑杆6收缩到初始状态，第一截割部完成一次钻挖，整个挖钻过程简单，操作简便。

本实施例的扩孔式截割装置，能够有效解决掘进机在坚硬地质条件下推进困难的问题，可实现掘进机的高效掘进。此外，扩孔式截割装置，还能够使得扩孔掘进施工和巷道支护施工同时进行，从而实现了平行作业，能够有效提高巷道掘进效率，可用于岩巷、煤巷及半煤岩巷中。同时，支护装置可以紧跟扩孔式截割装置进行支护，有效缩短空顶距，提高了施工安全性。

在另一个实施例中，扩孔式截割装置还包括：第二截割部，第一截割部设于第二截割部的前进方向；第一截割部与第二截割部同时进行截割，第二截割部用于对第一截割部外周的工作面进行截割，以形成目标形状的截割面。目标形状的截割面包括圆形截割面、矩形截割面等。其中，第二截割部的前进方向是指扩孔式截割装置在掘进机的驱动作用下而向待掘进工作面掘进施工的方向。

下面提供第二截割部的实施例。

第二截割部包括第二刀体1，第二刀体1在第一截割部的外周至少设有一个，第二刀体1自转对其对应位置进行截割。第二刀体1设有多个，以对第一截割部外周的多个位置进行截割。其中，第二刀体1为盘状刀体，盘状刀体的周向设有多个刀片，每个刀片上均设有第二切削齿，提高截割效率。其中，多个第二刀体1可以在第一截割部的外周以圆形分布或矩形分布，以形成圆形截割面或矩形截割面。

第二刀体1的设置，能够有效扩展截割面积，且能根据需要截割形成不同形状的截割面。第一刀体3位于第二刀体1的前进方向上，且第一刀体3与第二刀体1在轴向设有间距，第一刀体3与第二刀体1不会交叉干涉，在第一刀体3与第二刀体1截割面积有交叉的情况下，保证第一刀体3与第二刀体1独立、稳定运行。

进一步的，第二截割部还包括第三刀体2，第二刀体1位于第三刀体2的前进方向，第二刀体1自转截割形成圆形截割面，第二刀体1自转截割第二截割部对应位置的大部分面积，第三刀体2用于辅助第二刀体1截割形成矩形截割面的直角位置。如图5所示，第三刀体2上至少有两个刀片的外端到其转动轴线(转动中心9)的距离不同。在第三刀体2的刀片长度相同的情况下，至少有一个刀片的转动轮廓能够到达矩形截割面的直角位置，形成矩形截割面。

进一步的，在第三刀体2的刀片长度不相同的情况下，如图5所示，第三刀体2左上方的刀片长度大于另外两个，第三刀体2左上方的刀片转动轮廓能够到达矩形截割面的直角位置，以形成矩形截割面。其中，内外是相对于到转动轴线的距离划分，外端是指远离转动轴线的一端。

结合图1、图2和图5所示，第三刀体2套设于第二刀体1上，即第三刀体2的转轴套设于第二刀体1的转轴上。第三刀体2与第二刀体1共轴线转动，第三刀体2为相对于其转动轴线的偏心结构。可以理解为，第二刀体1和第三刀体2绕转动中心9对应的转动轴线转动，第三刀体2的结构中心8与其转动中心9不重合，如图5所示。第三刀体2的转轴与第二刀体1的转轴之间存在偏心设计，保证第三刀体2的刀片能够到达矩形截割面的直角位置，满足矩形截割要求。

第二刀体1与第三刀体2分别由独立的驱动结构进行转动驱动，或者，第二刀体1与第三刀体2由同一驱动结构驱动，并通过不同的传动结构传动。

其中，第二刀体1与第三刀体2的旋转方向相同或相反，可根据驱动结构、传动结构的结构形状、安装空间进行选择。如图1-图4所示的扩孔式截割装置中，第二刀体1与第三刀体2的旋转方向相反，适于旋转驱动结构和传动结构安装。

具体的，第二刀体1与第三刀体2至少设有四组，至少在矩形面的四个直角位置各设置一组，四组第一刀体3与第二刀体1截割形成矩形截割面的四个直角位置，配合第一截割部，以完成整个待掘进工作面上矩形截割面的成型，以进行全断面截割。根据待掘进工作面的尺寸不同，第二刀体1与第三刀体2的数量还可以根据需要调节。

其中，第三刀体2也为盘状结构，盘状刀体的周向设有多个刀片，每个刀片上也设置第三切削齿，提高截割效率。第二刀体1上第二切削齿形状与第三刀体2上第三切削齿形状可以相同或不同。

相邻第二刀体1的轴向长度不同，也可以理解为相邻第二刀体1到下文中的支撑架4(或掘进机的其他固定结构)的距离不同，避免位于同一平面上的相邻第二刀体1的刀片在转动过程中发生交叉干涉。可以理解为，当水平方向的两个第二刀体1的刀片会发生交叉干涉时，水平方向的两个第二刀体1的轴向长度不同(即两个第二刀体1的刀片伸出支撑架4端面的距离不同)；当竖直方向的两个第二刀体1的刀片会发生交叉干涉时，竖直方向的两个第二刀体1轴向长度不同(即两个第二刀体1的刀片伸出支撑架4端面的距离不同)。

第三刀体2与第二刀体1的位置相对固定，同理，第三刀体2到支撑架4的距离随第二刀体1到支撑架4的距离而变化。或者，第三刀体2可独立于第二刀体1进行轴向位置调节，即第三刀体2到支撑架4的距离可直接调节，以防止相邻的第三刀体2相互干涉。

如图3和图4所示，竖直方向的两个第二截割部的轴向长度不同，竖直方向的两个第二截割部伸出支撑架4端面的距离不同。

第一截割部与第二截割部配合，可以实现矩形巷道全断面截割，施工中无需左右移动掘进机的机身，扩孔式截割装置也无需左右移动，掘进机仅向扩孔式截割装置提供前进动力即可。另外，还能提高安全性，第一截割部进行圆锥形截割孔洞时，未截割的岩层或煤层可以形成有效支撑。

在另一个实施例中，扩孔式截割装置还包括支撑架4，第一截割部和第二截割部均连接于支撑架4，扩孔式截割装置通过支撑架4与掘进机的机身连接。具体的，转动驱动件的壳体可以连接在支撑架4上，第二刀体1与第三刀体2的驱动结构也可以设置在支撑架4内。

进一步的，支撑架4的形状与待掘进工作面的目标形状相同，支撑架4还能起到支护作用。支撑架4的外周设有修形切削齿，修形切削齿焊接于支撑架4上，起到塑形和集土的作用。

当待掘进工作面的目标形状为矩形时，支撑架4为矩形架，支撑架4的四周设有修形切削齿，有助于矩形巷道的塑型。参考图2-4所示，支撑架4为长方体盒体，支撑架4内可以安装驱动结构及其他零部件，起到保护部件的作用；并且，长方形盒体结构的支撑稳定性好，提升支护效果。同理，当待掘进工作面的目标形状为圆形时，支撑架4为圆柱形架，辅助巷道成型以及辅助支护。

下面提供第一截割部的实施例。

外力驱动第一刀体3打开或收缩的一种实施例：

第一截割部还包括伸缩驱动件5，伸缩驱动件5用于为第一刀体3的打开过程或收缩过程提供外力驱动。伸缩驱动件5的两端分别铰接第一刀体3与支撑件，伸缩驱动件5伸缩以带动第一刀体3打开或收缩。伸缩驱动件5直线伸缩，如气缸、液压缸、电动缸、直线电机等。

外力驱动第一刀体3打开或收缩的另一种实施例：

支撑杆6与第一刀体3之间设置连接杆，连接杆滑动连接于支撑杆6，连接杆沿支撑杆6的轴向滑动并推动第一刀体3打开或收缩，类似于撑伞的过程。其中，连接杆的滑动动力可以由气缸、液压缸、直线电机、电动缸等提供。

第一刀体3的打开和收缩过程实现方式多样，不限于上述两种方式。

其中，第一刀体3在支撑杆6周向均匀分布多个，保证截割效率。伸缩驱动件5或连接杆的数量与第一刀体3的数量对应，保证每个第一刀体3均能稳定打开和收缩。优选的，第一刀体3在支撑杆6的周向均匀设置三个，有助于支撑杆6均衡受力，且有效提高截割效率。

更进一步的，支撑杆6与第一刀体3之间连接有导向支撑组件7，在第一刀体3打开或收缩过程，导向支撑组件7为第一刀体3提供导向和支撑作用，保证第一刀体3稳定打开和收缩。导向支撑组件7设于第一刀体3与支撑杆6的铰接位置与外力驱动位置之间。

具体的，导向支撑组件7包括滑动件71和加强杆72，滑动件71滑动连接于支撑杆6，加强杆72的两端分别铰接滑动件71与第一刀体3。在第一刀体3打开的过程中，加强杆72随第一刀体3移动并带动滑动件71滑动，进行支撑。

滑动件71的一个实施例，滑动件71为滑动环，滑动环套设于支撑杆6，当第一刀体3设有多个时，滑动环的周向均匀连接多个加强杆72，每个第一刀体3上至少连接一个加强杆72。

第一刀体3包括支架和切割截齿，切割截齿在支架上均匀分布，加强杆72和伸缩驱动件5铰接于支架。

转动驱动件的壳体还可以固定于掘进机的机身等固定结构上。

本实用新型的另一个实施例中，提供一种掘进机，包括上述任意实施例的扩孔式截割装置，实现扩孔掘进以及全断面掘进。

结合图1-图5所示，本实用新型的另一个实施例中，提供一种掘进施工工艺，掘进机上设有上述的扩孔式截割装置。

掘进施工工艺包括：

第一截割部旋转运动以钻挖并向前推进，旋转钻进形成锥形的孔洞，同时第二截割部旋转截割并与第一截割部同步向前推进，第二截割部对锥形孔洞的外周进行截割，以形成目标形状的截割面；

第一截割部向前推进到目标位置后停止向前推进，即第一截割部到达设定深度后；

第一刀体3向远离支撑杆6的方向打开，第一截割部旋转扩孔，同时掘进机的支护装置进行支护。

以在煤矿巷道内掘进形成矩形巷道为例，对施工过程进行具体说明。

在掘进施工之前，第一刀体3处于收缩状态，如图3所示。

掘进施工开始后，第一截割部旋转运动且第一刀体3保持收缩状态，由掘进机提供向前的推进力，此时第一截割部会逐渐扎进煤层里，形成一个锥形的孔洞。在这一过程中，第二截割部的第二刀体1与第三刀体2同时旋转切割，以成形矩形的巷道断面。

第一截割部进入煤层设定深度后，掘进机停止向前推进，伸缩驱动件5伸出并带动三个第一刀体3向远离支撑杆6的方向做扩张运动，第一截割部的旋转扩张运动使上一工序形成的锥形孔洞进一步扩大，形成图4所示的扩张状态。在扩孔截割过程中，由于掘进机不移动，掘进机上的支护装置可以同时对巷道进行支护，实现了掘进和支护同步工作，提高了掘进效率。其中，伸缩驱动件5伸出的过程中，滑动件71在支撑杆6滑动且加强杆72对第一刀体3进行支护。

伸缩驱动件5伸出到最大长度后，第一刀体3旋转扩张的范围达到最大，完成一次锥形孔洞的钻挖；然后，伸缩驱动件5开始收缩，恢复至图3所示的收缩状态，并保持收缩状态，完成一次锥形孔洞的截割，准备进入下一次锥形孔洞的截割。

重复上述步骤，进行循环施工。

上述的掘进施工工艺可实现以下有益效果：

(1)施工中不用左右移动掘进机的机身，即可实现全断面掘进，矩形成巷；

(2)能够使掘进施工和支护施工同时进行，实现了平行作业，提高了效率；

(3)针对坚硬地质的全断面掘进，能够有效解决推进困难问题；

(4)在掘进的施工迎头，除圆锥形的截割孔洞外，未截割的煤可以形成有效支撑，安全性高；同时支撑架4也会起到支撑和保护的作用；

(5)空顶距小，支护作业可以紧跟支撑架4的后面，有效缩短了空顶距，进一步提高了施工安全性。

以上实施方式仅用于说明本实用新型，而非对本实用新型的限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。