一种煤矿坚硬岩层巷道高能微波高效钻孔成套装置与方法

本发明涉及一种煤矿坚硬岩层巷道高能微波高效钻孔成套装置与方法

技术背景

随着煤矿科技的发展，煤矿巷道掘进技术虽取得较快发展，但由于我国煤炭资源赋存条件复杂，坚硬岩层条件下巷道掘进过程中的高效钻孔问题仍然是制约煤矿开采高产、高效的重要因素。传统巷道采用爆破和钻头钻进方式进行坚硬岩层掘进。巷道爆破施工大部分过程目前仍然是依靠人力去完成，这种方式已经成为限制巷道快速掘进施工的瓶颈，它不仅耗时耗力,还容易出错，其爆破效果较差，存在超、欠挖现象，巷道周边成形不理想，从而形成二次动工或返工现象。采用钻头钻进巷道时，钻机的扭矩高于额定扭矩时有发生，这可能会引发意外事故；作业过程中操作人员的衣服和袖口有可能会被转动的钻杆缠绕而发生意外，因此，需要额外安排其他人员来防止以上危险的发生。

与此同时，煤矿巷道施工和工作面向前推进过程中常遇到坚硬岩层钻打炮眼及原岩应力测量、巷旁高应力卸压、坚硬顶板卸压等不同直径钻孔的施工问题。对于此类硬岩，采用机械化钻进时常遇到钻进进尺慢、钻头损耗大、成孔效果差等缺点，在诸如此类条件下将微波技术与巷道钻孔掘进、应力测量钻孔施工、坚硬顶板或巷旁高应力卸压结合，利用微波传输线将高功率微波能输送至巷道岩石层附近，然后采用可转动机构将高功率微波能量入射到特定坚硬岩层位置，加热、熔化坚硬岩层直至成雾化状颗粒物，高效形成钻孔。

技术实现要素：

本发明公布一种煤矿坚硬岩层巷道高能微波高效钻孔成套装置与方法，本发明将高功率微波能量从地面传输到煤矿井下巷道，用高能微波发射机构发射的高功率微波熔化煤矿坚硬岩层，配合可转动伸缩机构、直径改变标定圈、深度固壁杆、小型旋转剥离机构、瞬时冷却喷射水管、转换圆盘、底部移动装置、伸缩辅助滑槽、伸缩辅助立柱、转动承重装置、转动圆盘立柱、转动圆盘内部辅助伸缩孔和方向与高低调整机构的工作顺序和特点，形成钻孔。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：利用高能微波发射机构内部设置的极子导线辐射到岩层周边范围，继而与煤矿坚硬岩层作用产生局域高温，极子导线同时充当钻头，深入被高功率微波熔化的煤矿坚硬岩层内部，形成钻孔。

所述的高能微波由微波传输线从地面向煤矿井下巷道输送高功率微波能量，然后采用该装置的高能微波发射机构和可转动伸缩机构将高功率微波能量入射到需钻孔坚硬岩层的特定位置。

所述的可转动伸缩机构连接转换圆盘和转换圆盘内部辅助伸缩孔用于调整直径改变标定圈、深度固壁杆、小型旋转剥离机构和瞬时冷却喷射水管的具体位置与工序。

所述的直径改变标定圈由前端岩石成孔器和后端高能微波传输孔组成，前端岩石成孔器内部有一可控转动装置，前端岩石成孔器的扩缩装置可进行一定调整。

所述的深度固壁杆可组合多个使用，单个长度与高能微波钻孔时一次成型的深度一样。

所述的小型旋转剥离机构配合深度固壁杆使用，其主要由单向旋转刀片和内壁压力垂直剥离装置组成，起切割和脱落作用。

所述的底部移动装置可以满足煤矿井下不同倾角巷道内用高能微波打孔时，在巷道内安全移动与准确停驻。

所述的伸缩辅助滑槽与伸缩辅助立柱两个装置配合可转动伸缩机构将岩石孔钻到指定孔深。

所述的方向与高低调整机构可在巷道内左右帮的具体方向角度与离巷道底板高低处调整位置进行高能微波钻岩石孔工作。

本发明公布一种煤矿坚硬岩层巷道高能微波高效钻孔成套装置与方法，其有益的效果在：破岩效率高，只要微波功率密度足够大，岩石可以在极短时间内被加热融化，提升巷道掘进速度和成孔质量，增加巷道稳定性和安全性，解决煤矿坚硬岩层巷道采用机械化钻孔时遇到的钻进进尺慢、钻头损耗大、成孔效果差等缺点。

说明附图

图1本发明正视结构示意图。

图1中1.底部移动装置，2.伸缩辅助滑槽，3.伸缩辅助立柱，4.转动承重装置，5.转换圆盘立柱，6.转换圆盘，7.转换圆盘内部辅助伸缩孔，8.高能微波发射机构，9.直径改变标定圈，10.极子导线，11.可转动伸缩机构，12.小型旋转剥离机构，13.瞬时冷却喷射水管，14.方向与高低调整机构，15.深度固壁杆。

具体实施方式

请参考图1，本发明公布一种煤矿坚硬岩层巷道高能微波高效钻孔成套装置与方法，开始工作时由底部移动装置(1)将本成套装置移动到煤矿巷道坚硬岩层需打钻孔处，在巷道内安全移动与准确停驻，依据坚硬岩石孔的具体施工特征，由转动承重装置(4)配合方向与高低调整机构(14)进行本成套具体方向角度与离巷道底板高低位置的调整，完成上述工作步骤后，由施工方所要求孔径大小调整直径改变标定圈(9)，启动高能微波发射机构(8)由极子导线(10)辐射岩层周边范围，接着可转动伸缩机构(11)进入转换圆盘内部辅助伸缩孔(7)使极子导线(10)辐射岩层更深位置，可转动伸缩机构(11)达到依次伸缩长度后立即关闭高能微波发射机构(8)，从转换圆盘内部辅助伸缩孔(7)内撤出可转动伸缩机构(11)，调整转换圆盘(6)将瞬时冷却喷射水管(13)对准钻孔进行瞬时喷水降温，调整转换圆盘(6)将小型旋转剥离机构(12)对准钻孔进行切割和脱落钻孔内部物质，之后调整转换圆盘(6)将瞬时冷却喷射水管(13)对准钻孔进行高压冲洗，形成一次深度钻孔，调整转换圆盘(6)将小型旋转剥离机构(12)对准钻孔插入深度固壁杆(15)，重复上述步骤，直到完全达到施工所要钻孔深度。

技术特征：

1.一种煤矿坚硬岩层巷道高能微波高效钻孔成套装置与方法，其特征在于：可解决煤矿坚硬岩层巷道采用机械化钻孔、应力测量钻孔施工及坚硬顶板或巷帮高应力卸压钻孔遇到的钻进进尺慢、钻头损耗大、成孔效果差等缺点，煤矿坚硬岩层巷道高能微波高效钻孔成套装置由高能微波传输线、高能微波发射机构、可转动伸缩机构、直径改变标定圈、深度固壁杆、小型旋转剥离机构、瞬时冷却喷射水管、转换圆盘组成，该装置的直径改变标定圈与深度固壁杆可依据巷道内不同钻孔所需的直径与深度进行改变，利用微波传输线从地面向煤矿井下巷道输送高功率微波能量，然后采用该装置的高能微波发射机构和可转动伸缩机构将高功率微波能量入射到需钻孔坚硬岩层的特定位置，接着加热、熔化坚硬岩层的岩石，再用瞬时冷却喷射水管将熔化坚硬岩层的岩石喷水降温直至成雾化状玻璃态颗粒物，最后将雾化状玻璃态颗粒物用小型旋转剥离机构进行剥离，巷道坚硬岩层钻孔形成。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿坚硬岩层巷道高能微波高效钻孔成套装置与方法，其特征在于，微波能量通过高能微波传输同轴线传输到高能微波发射机构，高能微波发射机构内部设置有磁控管、定向耦合装置、阻抗调谐装置、同轴传输线中心电极和极子导线，其中由极子导线辐射到岩层周边范围，继而与煤矿坚硬岩层作用产生局域高温，极子导线同时充当钻头，深入被高功率微波熔化的煤矿坚硬岩层内部，形成钻孔。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿坚硬岩层巷道高能微波高效钻孔成套装置与方法，其特征在于，直径改变标定圈由前端岩石成孔器和后端高能微波传输孔组成，两者用可伸缩连接杆组合连接，前端岩石成孔器内部有一可控转动装置，用于减少进入岩石孔时的外部摩擦力，前端岩石成孔器的扩缩装置进行一定调整后可使成孔直径达到不同施工项目所标定要求。

4.根据权利要求1所述的一种煤矿坚硬岩层巷道高能微波高效钻孔成套装置与方法，其特征在于，深度固壁杆由转换圆盘与可转动伸缩机构衔接，深度固壁杆采用分段组合的方式用于完全连接使组合后整体长度达到岩石孔深的要求，深度固壁杆两杆的前后接口采用按压插环紧扣式组合，单个深度固壁杆的长度由高能微波钻孔时一次成型的深度决定。

5.根据权利要求1所述的一种煤矿坚硬岩层巷道高能微波高效钻孔成套装置与方法，其特征在于，小型旋转剥离机构配合深度固壁杆使用，其主要由单向旋转刀片和内壁压力垂直剥离装置组成，单向旋转刀片将雾化状玻璃态颗粒物切割成圆柱体后，内壁压力垂直剥离装置增压凸起慢慢与孔壁接触直至使化玻璃态颗粒物圆柱体从岩石孔内脱落。

6.根据权利要求1所述的一种煤矿坚硬岩层巷道高能微波高效钻孔成套装置与方法，其特征在于，瞬时冷却喷射水管与深度固壁杆一样，都由转换圆盘与可转动伸缩机构衔接，瞬时冷却喷射水管工作顺序在高能微波一次输出之后，需立即调整转换圆盘上其的位置使之调整到岩石孔正中心，对高能微波熔化的岩石喷水降温，最后工序为调整水压将岩石孔内脱落的玻璃态颗粒物圆柱体从岩石孔内用水流冲出。

技术总结
本发明公开了一种煤矿坚硬岩层巷道高能微波高效钻孔成套装置与方法。对于煤矿坚硬岩层巷道中钻孔时，将高功率微波能量从地面传输到煤矿井下巷道，用高能微波发射机构发射的高功率微波熔化煤矿坚硬岩层直至成雾化状颗粒物，配合可转动伸缩机构、直径改变标定圈、深度固壁杆、小型旋转剥离机构、瞬时冷却喷射水管和转换圆盘的工作顺序和特点，形成钻孔，本发明的有益效果在：破岩效率高，只要微波功率密度足够大，岩石可以在极短时间内被加热融化，提升巷道掘进速度和成孔质量，增加巷道稳定性和安全性，解决煤矿坚硬岩层巷道采用机械化钻孔时遇到的钻进进尺慢、钻头损耗大、成孔效果差等缺点。

技术研发人员：陈登红;袁永强;汤允迎
受保护的技术使用者：安徽理工大学;合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室)
技术研发日：2021.05.21
技术公布日：2021.07.13