一种钻-压-掘一体化硬岩掘进设备

1.本发明涉及硬岩巷（隧）道掘进领域，具体涉及一种采用钻压掘一体化的硬岩巷（隧）道掘进设备。


背景技术：

2.目前，对于硬岩巷（隧）道的掘进施工仍以钻爆法为主，随着科技水平的提升，这种掘进工艺已较为落后，难以满足巷（隧）道掘进的效率和质量，且这种掘进工艺需要大量的劳动力和施工时间，安全性较低，影响掘进的进度。通常情况下，采用钻爆法掘进是在掘进机掘进难以实现的前提下实施，硬岩巷（隧）道的掘进方法满足钻爆法的施工条件。但是由于钻爆法的种种弊端，当前出现一种采用水力压裂结合掘进机掘进的新方法，通过在硬岩巷（隧）道中钻孔并注入高压水，当钻孔周围的应力达到围岩的起裂条件，在硬岩中形成裂缝网络，起到破坏硬岩巷（隧）道内部岩体完整性和强度的作用，从而使硬岩巷（隧）道岩体的强度达到可以使用掘进机进行连续切割掘进的程度。
3.对于采用水力压裂技术掘进硬岩巷（隧）道的新方法，仍存在一定问题，新掘进方法的运用主要依赖于钻机、水力压裂设备和掘进机，在施工过程中，根据水力压裂的钻孔设计，使用钻机对硬岩巷（隧）道钻孔，钻孔完毕后将钻机移走，随后将水力压裂设备移动至掘进工作面处，对工作面内部岩体进行水力压裂，压裂完成后，再将水力压裂设备移走并启动掘进机至掘进工作面。这种设备的反复运移是掘进工作面空间狭小导致的，空间的有限性仅能允许一套设备进行工作，这不仅提高了工人的劳动强度，且延长了掘进前的准备时间，影响掘进效率。
4.在当前技术中，相比于国际掘进设备，国内硬岩巷（隧）道掘进施工所使用的设备仍较为落后，还有待进一步改进。在井下巷道掘进和隧道开挖过程中，工程进度直接受掘进效率的影响，提高掘进效率的一种有效方式为完善掘进的技术和设备。
5.总的来说，传统设备在硬岩巷（隧）道掘进过程中大多存在着以下问题：1）爆破非连续掘进方式会对巷（隧）道围岩及地表产生强烈扰动，且爆破的发生会产生安全隐患以及生成有害气体，威胁工作人员的安全；2）爆破发生后，需要长时间的通风排放有害气体，影响掘进效率；3）掘进工作面空间有限，无法同时将钻机、水力压裂设备和掘进机安置在工作面处，一种设备完成工作后，需要工人将其移走后再换下一套设备进行工作，影响工作效率；4）钻机和水力压裂设备的机动性往往依靠工人的搬运进行，导致其机动性较差。
6.因此，如何对硬岩巷（隧）道掘进施工设备进行改进、优化，达到钻-压-掘一体化的目的就成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

7.本发明针对以上问题，提出了一种钻-压-掘一体化硬岩掘进设备，可以使掘进工作安全隐患降至最低，并且可以大幅提高掘进效率。
8.本案在使用过程中，既无需排放有害气体，又可使得一体化设备不受工作面空间
影响，从而显著提高钻机和水力压裂设备的机动性，最终达到提高掘进工程的工作效率的目的。
9.本发明的技术方案为：所述硬岩掘进设备包括掘进机以及安装在掘进机上的钻机系统、水力压裂系统，所述钻机系统包括钻机、钻机安装台4、钻臂5、滑轨2和基座7；所述滑轨2连接在掘进机的机架6上，所述基座7固定连接在滑轨2靠近掘进机中心的一端，所述钻臂5为液压缸，所述钻机安装台4通过钻臂5连接所述基座7，并且可滑动的设置在滑轨2之上；所述钻机安装在钻机安装台4上；所述水力压裂系统包括水箱8、高压泵15、压力表13、水压监测仪14、高压管以及封孔器，所述高压泵15固定连接在掘进机的机架6上；所述高压水泵15的进水口通过水管连接水箱8，所述高压水泵15的出水口通过高压管与封孔器连接；所述水压监测仪14安装在高压水泵15的出水口处，用于监测高压水泵15的出水口的水压；所述压力表13安装在高压水泵15上，用于监测高压水泵15内部的压力。
10.所述钻机系统和水力压裂系统分别布置在机架的两侧。
11.所述滑轨2的前后两端分别通过两个升降台16与机架6相连接，所述升降台16也为液压缸，所述升降台16的底部固定连接在机架6上，并且顶端与滑轨2铰接。
12.所述钻机安装座4与钻臂5铰接，并且钻机安装座4上还固定连接有位于钻臂5下方的微调支臂，所述微调支臂也为液压缸，所述微调支臂远离钻机安装座4的一端与钻臂5铰接。
13.本发明旨在改进掘进设备，使钻孔、水力压裂和掘进工作在同一台设备上完成，达到钻-压-掘一体化的目的，提高掘进工程的工作效率。
14.在当前技术中，钻机的类型种类十分丰富，选择合适的钻机进行硬岩巷（隧）道的钻孔工作十分重要，由于岩体强度较高，可排除掉效率低、扭矩小的钻机，而对于掘进进度的高要求需要钻机拥有更高效的钻进速度。目前，钻机按其结构可分为分体式、履带式和分体履带式3种。其中，履带式钻机是将主机、泵站和操纵台等组成部分集中安装在一个履带平台上进行工作，虽然履带式钻机拥有机动性强，钻孔效率高等特点，但是其所占空间也较大，不适合狭小的掘进工作面工作；分体履带式钻机是将钻机各部分分别布置在2个或多个履带平台上，虽然其体积较小，且机动性较强，但是在本发明中，所发明的新型设备以掘进机为主，难以满足其以履带为基础的工作方式；分体式钻机构成较为简单，由主机、泵站和操纵台组成，质量轻体积小，其最大的缺陷为需要人工搬迁，然而在本发明中，以掘进机为主体，将分体式钻机布置在掘进机上，可解决分体式钻机需要人工搬迁的缺陷，且掘进机的存在使钻机具备更高的机动性，既解决了分体式钻机的缺陷，也使其拥有了其余类型钻机的优点，在本发明中予以使用。
15.在当前技术中，水力压裂系统主要包括高压系统（泵+水箱+高压管+电控箱）、封孔器和水压监测仪等组成，通过该套设备对硬岩巷（隧）道钻孔并注入高压水，在岩体内部生成一系列网状裂缝，使其强度降低。水力压裂技术在当前主要应用于煤矿或页岩油开采领域，在煤矿中主要用于对煤矿顶板进行切顶卸压、高瓦斯煤层增透、巷道扩帮、取代炸药爆破技术进行岩巷掘进等。通过在坚硬岩体中钻孔并注入高压水，当钻孔周围的应力达到岩体的起裂条件后，在坚硬顶板中形成裂缝网络，起到破坏坚硬顶板完整性和降低坚硬顶板强度的作用，水力压裂技术可以有效降低坚硬岩体的强度，使其达到掘进机可以进行机械
切割的程度。且水力压裂系统中的各个组成部分所占用体积均较小，可作为附属设备安装在以掘进机为主体的钻-压-掘一体化设备中。
16.在当前技术中，悬臂式掘进机以其结构较为简单，工作灵活，且兼具破岩和岩石装载功能，使其在巷道掘进中得以应用。掘进机的型号可根据所掘进巷（隧）道岩体的硬度进行选择，当岩石硬度较高时，采用普通的掘进机难以施工，以硬岩掘进机e-bz200h为本发明设备的主体，该硬岩掘进机机动性较强，掘进效率高，可掘进较硬的岩体，适合本发明所针对的硬岩巷（隧）道的掘进。
17.综上所述，硬岩巷（隧）道的掘进以钻爆法为主，这种爆破非连续掘进方式因其安全性较差、准备时间长和掘进效率低等不足而逐渐落后。在现有技术中，分体式钻机、水力压裂设备和e-bz200h硬岩掘进机性能优良，其优缺点可进行互补，将三套设备进行组合，实现硬岩巷（隧）道的钻-压-掘一体化，不仅可以降低掘进工程的劳动强度，也可提高掘进效率。
18.相较于现有设备和技术，本发明具有以下优势：1）在不使用爆破非连续掘进方式的条件下，使用钻-压-掘一体化的硬岩巷（隧）道掘进设备，可避免爆破产生的安全隐患，避免了爆破对围岩和地表的扰动现象，且无有害气体产生，为掘进营造了一个安全的施工环境；2）钻-压-掘一体化的硬岩巷（隧）道掘进设备不受掘进工作面空间大小的影响，钻机、水力压裂设备和掘进机同处一台以掘进机为主体的设备上，可在掘进工作面处拥有很高的机动性；3）同处一台机器上的钻-压-掘三套设备在工作中可不再需要工人往复运移，仅需在操作台中控制三套设备的交替配合使用，即可达到钻孔、水力压裂岩体和掘进巷（隧）道的施工流程，可最大程度地提高掘进效率；4）使用钻-压-掘一体化掘进设备可大幅减少掘进操作人员数量，降低工人的劳动强度，提高了工作效率，且全机械化作业提高了机械化水平，降低工人的操作安全风险。
附图说明
19.图1为本案中钻机系统的结构示意图；图2为本案的结构示意图；图3为图2的后视图；图4为本案中钻机系统的优化实施方式示意图；图中：1—截割部；2—滑轨；3—装载部；4—钻机安装台；5—钻臂；6—机架；7—基座；8—水箱；9—钻掘操控台；10—电气系统；11—输送机构；12—行走部；13—压力表；14—水压监测仪；15—高压泵；16—升降台；17—固定台。
具体实施方式
20.为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
21.如图1-3所示，该设备为三套独立设备的组合体，包括掘进机以及安装在掘进机上的钻机系统、水力压裂系统，所述钻机系统包括钻机（图中未示出）、钻机安装台4、钻臂5、滑
轨2和基座7；所述滑轨2连接在掘进机的机架6上，所述基座7固定连接在滑轨2靠近掘进机中心的一端，所述钻臂5为液压缸，所述钻机安装台4通过钻臂5连接所述基座7，并且可滑动的设置在滑轨2之上；所述钻机安装在钻机安装台4上；所述水力压裂系统包括水箱8、高压泵15、压力表13、水压监测仪14、高压管以及封孔器（图中未示出），所述高压泵15固定连接在掘进机的机架6上，需要说明的是，由于现有技术中的封孔器较多，比如申请号为“202021101787.8”、名称为“一种新型水力压裂封孔器”的中国实用新型专利所示，对此，本案中对于封孔器的内部结构不再赘述；所述高压水泵15的进水口通过水管连接水箱8，所述高压水泵15的出水口通过高压管与封孔器连接；所述水压监测仪14安装在高压水泵15的出水口处，用于监测高压水泵15的出水口的水压；所述压力表13安装在高压水泵15上，用于监测高压水泵15内部的压力。
22.掘进机主要包括行走部12、截割部1、装载部3、输送机构11、机架6、钻掘操控台9及电气系统10。钻机系统和水力压裂系统分别用滑轨和固定台与主体钻机连接，分别设在掘进机前端截割部左右两翼。固定位置为掘进机操控台与截割部中间。
23.其工作流程为先钻孔，控人员进入钻掘操控台9操控钻机系统，将钻机以及钻机安装座4从滑轨2上推出至掘进机前端，根据钻孔设计，对硬岩巷隧道进行钻孔，此后，后退钻机安装台使其缩回。操控人员离开操控台手动控制水力压裂系统，对掘进工作面内部岩体压裂处理。钻孔和水力压裂工作完成后，操控人员进入钻掘操控台，控制掘进机进行掘进。
24.作为优选，所述滑轨2的前后两端分别通过两个升降台16与机架6相连接，所述升降台16也为液压缸，所述升降台16的底部固定连接在机架6上，并且顶端与滑轨2铰接。
25.钻孔过程中，通过两个升降台16控制钻机系统升高、下降和旋转。升降台的作用为升高和降低钻机系统，控制钻机钻孔的位置，且具有旋转的作用，通过旋转钻机系统，达到在巷隧道内钻倾斜孔的效果。钻孔完成后，通过钻臂5使钻机后退至滑轨后端，防止掘进机截割部工作时损坏钻机。
26.作为优选，所述钻机安装座4与钻臂5铰接，并且钻机安装座4上还固定连接有位于钻臂5下方的微调支臂，所述微调支臂也为液压缸，所述微调支臂远离钻机安装座4的一端与钻臂5铰接。从而使得钻机的俯仰角可进行一定程度的微调。
27.此后，操控人员连接高压泵15和水箱8，保证水力压裂系统工作时水源充足。水力压裂系统与高压管连接，使用高压管加压封孔直至钻孔中没有水渗出，若有水渗出，需重新安装封孔器或更换封孔位置。
28.控制高压泵持续加压，直至水压监测仪14监测到的水压骤降，水压的骤降是封孔器所在位置的周围岩体受到持续的水压作用，当水压达到岩体的起裂条件后，岩体产生一系列网状裂缝，这些裂缝的存在使高压水渗出，导致水压的改变。此时为了保证压裂效果，继续控制高压泵注入高压水，使封孔器内的压力水一直存在，使岩体内部裂缝持续扩大。
29.压裂时间视岩体的规模及岩体强度而定，一般不少于30min，单个钻孔视岩体强度和巷（隧）道尺寸布置多个水力压裂点，同一个钻孔内，每隔2-3m重新压裂一次，单孔压裂10-15次，单个压裂点完成压裂后，重新更换位置继续压裂，循环操作直至所以钻孔均压裂完毕，使整个掘进范围的岩体内部充满网状裂缝。
30.水力压裂完成后，断开注水管，操控人员重新进入钻掘操控台，进行掘进机掘进。掘进机的掘进路线为，掘进机截割部从巷（隧）道底部的一端进刀，进行水平切割，截齿切割
至巷（隧）道水平方向的另一端后，沿垂直于底板方向向上截割一定距离后继续进行水平截割，在这一进刀深度下，不断循环完成上述操作，直至掘进完整个进刀深度，掘进完成后，继续下一段进刀掘进，直至掘进到水力压裂范围的边界。
31.由于三机一体，在掘进机推进至压裂终点后，在以掘进机为主体的钻-压-掘一体化掘进设备上重复上述操作继续推进硬岩巷（隧）道。三机一体的新设备提高了钻机和水力压裂设备的机动性，同时解决了掘进工作面空间难以满足三套设备单独且同时存在的限制，提高了掘进的质量和效率。
32.本发明具体实施途径很多，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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。