基于水压致裂的快速掘进和锚固装置

1.本实用新型涉及一种基于水压致裂的快速掘进和锚固装置，属于深部岩层掘进技术领域。


背景技术：

2.目前，在深部岩层掘进技术领域中，各类矿井的煤巷掘进传统工艺主要方式为机器掘进加人工锚杆支护施工，或是掘进设备切割完毕后，再进行锚杆锚索支护，这种巷道掘进施工工艺掘进效率低、空顶间隔时间长，存在一定的安全隐患。
3.将高性能液压锚杆钻机与掘进装备结合于一体，采用先掘后锚的作业方式完成作业，以缩短支护作业时间，提高机械化、自动化程度的联合掘进方法有了一定的发展，但现阶段的该技术依然存在着对复杂岩层的适应性低、掘进效率总体性不高的问题，仍旧无法满足快速高效安全的掘进要求。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种基于水压致裂的快速掘进和锚固装置，该掘进装置对复杂岩层的适应性强，能够提高掘进效率及作业安全性。
5.为了实现上述目的，本实用新型提供一种基于水压致裂的快速掘进和锚固装置，包括水平设置的筒状壳体，所述筒状壳体从前至后分为前段筒体、中段筒体和尾段筒体，前段筒体、中段筒体和尾段筒体之间均通过法兰进行连接，前段筒体上安装有水压致裂机构和掘进机构，中段筒体内设置土石存放仓和旋转式钻孔锚固机构，尾段筒体上安装推进油缸；
6.所述的水压致裂机构连接于掘进机构前端，其包括水压封隔器、封隔注水管、封隔器中芯管和压裂注水泵，所述水压封隔器包括前部封隔器和后部封隔器，前部封隔器和后部封隔器分别与其所在的预设钻孔内壁处密封形成封隔段，前部封隔器和后部封隔器之间通过封隔器中芯管连通，封隔注水管一端与位于其前端的压裂注水泵连接，另一端与封隔器中芯管连接；
7.所述的掘进机构包括刀盘和分区推进伸缩液压缸，所述刀盘为与筒状壳体同轴线设置的多个同心圆环，各圆环前端面沿其周向安装多个刀具，最外层圆环的后端面沿其周向连接多个分区推进伸缩液压缸；
8.所述的土石存放仓位于中段筒体的前部，与掘进机构之间通过土石运输管路连接；旋转式钻孔锚固机构位于中段筒体的后部，且旋转式钻孔锚固机构所处的筒体段为环绕筒体一周的开口段，所述旋转式钻孔锚固机构包括圆筒状外壳和安装于外壳内部的锚杆钻机，外壳与回转驱动装置传动连接，外壳上沿其周向等间距开设多个与钻杆外径相适配的通孔。进一步地，所述的封隔器中芯管上安装有压力传感器，封隔注水管上安装有流量传感器。
9.进一步地，所述的锚杆钻机沿外壳周向等间距布置三个。
10.本装置通过将水压致裂机构与掘进机构和旋转式钻孔锚固机构结合为一体，利用水压致裂机构形成的水压对预设钻孔进行预裂，预裂完成后，掘进机构通过刀盘部分或整体进行推进，有效减小大断面推进对部分复杂围岩的扰动，减少围岩的坍塌和土体的沉降，旋转式钻孔锚固机构对开挖后的土体进行钻孔锚固，并通过切换不同的打孔距离与锚杆间的排距大小，实现锚固方式的优化，该装置避免了作业设备的频繁更换与搬运，保证了围岩的及时支护，大大提升了掘进和锚固作业效率，提高了对复杂岩层的适应性，保证了作业安全性。
附图说明
11.图1是本实用新型的结构示意图；
12.图2是水压致裂机构的结构示意图；
13.图3是旋转式钻孔锚固机构工作状态的剖面结构示意图。
14.图中：1、前段筒体，2、中段筒体，3、尾段筒体，4、水压致裂机构，5、掘进机构，6、旋转式钻孔锚固机构，7、水压封隔器，8、封隔注水管，9、封隔器中芯管，10、压裂注水泵，11、刀盘，12、分区推进伸缩液压缸，13、刀具，14、开口段，15、外壳，16、锚杆钻机，17、钻杆，18、通孔，19、压力传感器，20、流量传感器,21、预设钻孔，22、锚杆，23、掘进孔。
具体实施方式
15.下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
16.如图1至图3所示，一种基于水压致裂的快速掘进和锚固装置，包括水平设置的筒状壳体，所述筒状壳体从前至后分为前段筒体1、中段筒体2和尾段筒体3，前段筒体1、中段筒体2和尾段筒体3之间均通过法兰进行连接，前段筒体1上安装有水压致裂机构4和掘进机构5，中段筒体2内设置土石存放仓和旋转式钻孔锚固机构6，尾段筒体3上安装推进油缸；
17.所述的水压致裂机构4连接于掘进机构5前端，其包括水压封隔器7、封隔注水管8、封隔器中芯管9和压裂注水泵10，所述水压封隔器7包括前部封隔器和后部封隔器，前部封隔器和后部封隔器分别与其所在的预设钻孔内壁处密封形成封隔段，前部封隔器和后部封隔器之间通过封隔器中芯管9连通，封隔注水管8一端与位于其前端的压裂注水泵10连接，另一端与封隔器中芯管9连接；
18.所述的掘进机构5包括刀盘11和分区推进伸缩液压缸12，所述刀盘11为与筒状壳体同轴线设置的多个同心圆环，各圆环前端面沿其周向安装多个刀具13，最外层圆环的后端面沿其周向连接多个分区推进伸缩液压缸12；
19.所述的土石存放仓位于中段筒体2的前部，与掘进机构5之间通过土石运输管路连接；旋转式钻孔锚固机构6位于中段筒体2的后部，且旋转式钻孔锚固机构6所处的筒体段为环绕筒体一周的开口段14，所述旋转式钻孔锚固机构6包括圆筒状外壳15和安装于外壳15内部的锚杆钻机16，外壳15与回转驱动装置传动连接，外壳15上沿其周向等间距开设多个与钻杆17外径相适配的通孔18。
20.为了进一步的对封隔器中芯管9内的水压进行监测和分析，所述的封隔器中芯管9上安装有压力传感器19，且压力传感器19位于封隔器中芯管9内部一侧；为了进一步的对压裂注水泵10泵入的水流量进行监测和分析，封隔注水管8上安装有流量传感器20，且流量传
感器20位于封隔注水管8上端，压裂注水泵10下端。
21.为了进一步提高钻孔锚固效率，同时保持围岩的稳定性，所述的锚杆钻机16沿外壳15周向等间距布置三个。
22.工作过程：
23.首先对超前工作面进行预设钻孔21，安装在刀盘11内层圆环的水压致裂机构4在主轴动力下推出，将水压封隔器7推入预设钻孔内，启动压裂注水泵10，高压水通过封隔器中芯管9，经封隔器中芯管上设置的封隔注水孔进入水压封隔器7，随着高压水的不断注入，水压封隔器7与预设钻孔21内壁紧密贴合，形成封隔段；与此同时，压力传感器19通过水压封隔器与压裂段内壁的作用对水压进行压力监测和分析，流量传感器20对压裂注水泵10泵入的水流进行流量监测和分析；
24.预裂结束后，对水压致裂机构中压力传感器19与流量传感器20检测出的数据进行分析，得出围岩应力分布情况与流量感应情况，进一步根据围岩力学性质与物理性质得出围岩孔隙率、含水率等数据，进而实时调整刀盘11大小与刀具材料、组合方式，比如，在普通围岩下分区推进伸缩液压缸推动处于最外层圆环的刀盘前进，实现一般断面切割，坚硬围岩下分区推进伸缩液压缸回缩，最外层圆环与内、中刀盘圆环形成大断面刀盘进行破岩，经破碎的土石通过土石运输管路进入中段筒体的土石存放仓，待土石存储到一定体积，通过人工运出；
25.旋转式钻孔锚固机构6对完成破岩开挖的掘进孔23所在的土体进行锚固，启动锚杆钻机16对周围岩土进行钻孔，钻孔完成后，收起钻杆17，通过锚杆钻机将锚杆22打入钻孔。
26.本实用新型中的旋转式钻孔锚固机构可进行360度旋转，根据不同围岩条件下的围岩力学性能动态对锚杆22的直径、材料和锚杆间的排距进行选择和调整。