一种钻拉剪破岩机构、钻拉剪原位破岩设备及掘进方法

本技术属于矿山地下破岩，更具体地说，是涉及一种钻拉剪破岩机构、钻拉剪原位破岩设备及掘进方法。

背景技术：

1、随着矿产资源的开采进入深部，岩体坚硬、高磨蚀性、高地应力和矿体分散等复杂的地质条件使得深地资源地开采变得困难。

2、岩石的抗拉强度和抗剪强度大约为其抗压强度的1/10，如何充分利用岩石的这一物理力学特性进行破岩，是提高破岩效率的关键。传统的爆破破岩其主要作用便是利用了这一点，通过将爆破产生的压缩应力波反射成拉伸应力波，使岩石发生受拉破坏。但受限于爆破其自身不够稳定的特性，发展机械方法进行破岩，是当前的趋势。

3、目前机械破岩的主要方式有悬臂式掘进机、采煤机、tbm及劈裂机等。悬臂式掘进机和采煤机采用铣挖的方式，通过铣挖头的转动，利用截齿截割岩石，其破岩机理为铣挖头接触岩石后，镐齿尖端压入岩石，使岩石形成密实核，进而密实核破碎膨胀，在岩石内部产生张拉裂缝而破坏。2014年，r.h.bao等发表的estimating the peak indentation forceof the edge chipping of rocks using single point-attack pick的研究表明，仅有约10％的外功用于形成大的岩屑，大部分外功消耗在密实核的形成阶段。悬臂式掘进机和采煤机在软岩和中硬岩中应用效果较好，但在对于f8以上的硬岩，由于岩石的高硬度和高磨蚀性，难以实现经济高效地开采。

4、tbm采用滚刀进行破岩，滚刀破岩属于滚压破岩，滚压破岩的机理与镐齿破岩有相似之处，都包含先将岩石初始压碎，然后通过压碎岩石的体积膨胀使岩体发生张拉破坏。不同的是，滚刀破岩对岩石的作用还包含了冲击压碎作用，因此滚刀破岩具有更好的初始压碎效果，进而破碎岩石的硬度也更高，可达单轴抗压强度150mpa以上。但tbm功耗大、体积大，适应性和灵活性均较差。

5、劈裂机破岩的原理为预先在岩体中进行钻孔，钻孔完成后，钻孔设备退出后，再向孔内装入膨胀装置，通过液压作用使得膨胀装置(劈片或液压活塞)在孔内膨胀，使岩石产生劈裂破坏，其在宏观上属于拉伸破坏。劈裂机破岩效率较高，且通常情况下岩石硬度越高，其裂缝延申效果越好，破岩效率更高。但劈裂破岩的致命缺点是需要至少两个以上的自由面，而井下作业一般仅一个自由面，因此，劈裂机在工作时，需要先预制自由面，且钻孔完成后还有退出钻孔设备以及件膨胀设备与孔对齐并置入等等过程，这极大的限制了在井下的应用。

6、由于，上述现有的机械破岩设备均存在各自的问题：如破硬岩能力较弱、或设备庞大不够灵活、或应用环境能力较弱、或者工作流程复杂。因此，亟需一种能在井下硬岩环境下进行机械化开采的设备。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术的不足，本技术实施例的目的在于提供一种钻拉剪破岩机构，其充分利用岩石自身抗压不抗拉剪的物理力学特性，使岩石向掌子面外侧发生拉剪破坏，破岩能力强，可适用于硬岩开采，且避免传统劈裂方式需要预制自由面的问题，增加其井下开采的适用性。

2、为实现上述目的，本技术采用的技术方案是：一种钻拉剪破岩机构，包括：钻进动力装置、油缸系统、钻孔与孔内侧压梯度加载系统、岩体质量钻进感知模块和除尘机构，所述钻进动力装置配合所述钻孔与孔内侧压梯度加载系统进行钻孔，所述油缸系统配合所述钻孔与孔内侧压梯度加载系统先进行施加侧向压力，再进行施加外向拉拔力。

3、在一个实施方式中，钻拉剪破岩机构还包括位移感应器，所述位移感应器设置在所述油缸系统上。

4、在一个实施方式中，钻拉剪破岩机构，还包括油压控制系统，所述油压控制系统与所述油缸系统和所述钻孔与孔内侧压梯度加载系统连接。

5、在一个实施方式中，所述油压控制系统包括第一油管、第二油管、第三油管、第一油表、第二油表、第三油表、第一控制开关、第二控制开关和第三控制开关。

6、在一个实施方式中，所述钻孔与孔内侧压梯度加载系统包括：第一壳体、第一钻杆、第一钻头、第一活塞和第一侧压施加锥体，所述第一钻头设置在第一钻杆的一端，所述第一钻杆穿过所述第一壳体后另一端与所述钻进动力装置连接，所述第一活塞设置在所述第一壳体内并将所述第一壳体内分成第一腔室和第二腔室，所述第一壳体上设有第一油口并与所述第一腔室连通，所述第一侧压施加锥体设置在所述第一活塞上并能伸出或收容在所述第二腔室；

7、所述油缸系统包括：第一缸体和第二活塞，所述第二活塞设置在所述第一缸体内并将所述第一缸体内分成第三腔室和第四腔室，所述第一缸体上设有第二油口和第三油口，所述第二油口与所述第三腔室连通，所述第三油口与所述第四腔室连通，所述第一钻杆穿过所述第一缸体且所述第一钻杆上设有供所述第二活塞抵接的套环，所述第一缸体与所述第一壳体连接；

8、所述第一油口与所述第一油管连接，所述第二油口与所述第二油管连接，所述第三油口与所述三油管连接。

9、在一个实施方式中，所述钻孔与孔内侧压梯度加载系统包括：第二钻杆、第二钻头、翼片、第二侧压施加锥体和楔形体，所述第二钻杆的一端设有第二钻头，另一端与所述钻进动力装置连接，所述第二侧压施加锥体设置在所述翼片的前端，所述翼片设置有至少两片且等距围绕所述第二钻杆设置，所述楔形体套设在所述第二钻杆上且位于所述翼片的内侧；

10、所述油缸系统包括：第二缸体、第三活塞和第四活塞，所述第三活塞和第四活塞设置在所述第二缸体内并将所述第二缸体内分成第五腔室、第六腔室和第七腔室，所述第二缸体上设有第四油口、第五油口和第六油口，所述第四油口与所述第五腔室连通，所述第五油口与所述第七腔室连通，所述第六油口与所述第六腔室连通，所述第二钻杆穿过所述第二缸体且所述钻杆上设有供所述第三活塞抵接的套环，各所述翼片的后端间隔设置在所述第二缸体上，所述第四活塞与所述楔形体的一端连接；

11、所述第四油口与所述第一油管连接，所述第五油口与所述第二油管连接，所述第六油口与所述三油管连接。

12、在本技术的另一目的在于提供一种钻拉剪原位破岩设备，包括设备载体以及如上所述的钻拉剪破岩机构，所述钻拉剪破岩机构设置在所述设备载体的前端，所述设备载体的前端设有碎岩机构，所述设备载体上设有将前端碎岩运输至后端的运渣机构。

13、在一个实施方式中，所述钻拉剪破岩机构通过多轴机械臂设置在所述设备载体的前端；

14、或者，所述钻拉剪破岩机构设置在连接组件上，所述连接组件通过多轴机械臂设置在所述设备载体的前端；

15、或者，所述钻拉剪破岩机构设置在滑轨组件上，滑轨组件设置在连接组件上，连接组件再通过多轴机械臂设置在所述设备载体的前端。

16、在一个实施方式中，所述设备载体为挖掘机、耙拉机、凿岩台车、采矿机或掘进机。

17、在一个实施方式中，所述设备载体包括行走机构。

18、在一个实施方式中，所述行走机构为履带式行走机构或轮式行走机构；所述除尘机构为风吸式除尘机构。

19、在一个实施方式中，所述运渣机构包括：铲板、运输皮带组件和抬升尾部，所述铲板设置在所述破岩设备的前端，所述抬升尾部设置在所述破岩设备的后端，所述运输皮带组件用于将所述铲板上的碎岩运输至抬升尾部处。

20、本技术的再一目的在于提供一种钻拉剪原位碎岩掘进方法，基于如上所述的钻拉剪原位破岩设备，所述掘进方法包括以下步骤：

21、s1、该破岩设备移动至岩体开采工作面；

22、s2、钻拉剪破岩机构中的钻孔与孔内侧压梯度加载系统在钻进动力装置的作用下进行钻孔作业，同时，除尘机构进行除尘作业，在钻孔的同时，岩体质量钻进感知模块自动采集岩体质量信息并传递给设备载体；

23、s3、该钻拉剪破岩机构为同轴心结构，无须退孔、对孔和再入孔等工作流程，可实现连续高效作业；待钻孔作业完成后，油缸系统工作，使得钻孔与孔内侧压梯度加载系统对钻孔内壁施加侧压，完成钻孔与孔内侧压梯度加载系统与岩体锁紧；

24、s4、油缸系统再配合钻孔与孔内侧压梯度加载系统对岩体施加外向拉拔力，使得岩体发生拉剪破坏；

25、s5、岩体发生拉剪破坏后，钻孔与孔内侧压梯度加载系统停止工作并移动至下一个破岩位置；

26、s6、破碎的岩体掉落后，碎岩机构对大块岩石进行破碎，并将碎岩拨动至运渣机构上；

27、s7、运渣机构将碎岩运输至该破岩设备的后端，以供运输小车运走；

28、s8、该破岩设备将当前可触及的岩体开采工作面完成开采作业后，再移动至下一个岩体开采工作面，直至完成开采工作。

29、本技术提供的钻拉剪破岩机构、钻拉剪原位破岩设备及掘进方法的有益效果在于：

30、第一、该钻拉剪破岩机构充分利用岩体抗压不抗拉剪的力学特性，具有破岩能力强的优点，可适用于井下硬岩开采；

31、第二、该破岩设备充分利用岩体抗压不抗拉剪的力学特性，使得破碎后的岩块相对较大，配合碎岩机构，可以达到较低的破岩比能，降低能耗；

32、第三、该破岩设备可以连续高效地开采，整个开采过程相对传统的劈裂方式来说，无须预制自由面，且钻拉剪破岩机构为同轴心结构，集钻孔、施加侧压和外向拉拔力为一体，无须退孔和对孔、再入孔等工作流程，简化了作业流程，且可实现连续高效作业，从而提高作业效率；

33、第四、该破岩设备集成度高，操作简单化；

34、第五、该破岩设备充分利用岩体抗压不抗拉剪的力学特性，使得该钻拉剪破岩机构不需要较大的力，从而使得相关的部件使用功率小，从而降低了体积，使得整个破岩设备的体积较小，增加了灵活性。