一种多尺度伞式锥面可调节正反采掘装备及施工方法

本发明属于矿山采掘、岩层钻进，特别涉及一种多尺度伞式锥面可调节正反采掘装备及施工方法。

背景技术：

1、随着地下工程不断向更深处发展，对机械破岩的要求已经越来越高，在岩层钻进的施工过程中，经常会遇到不同孔径大小的钻进工况，在此情况下，采用单一孔径的采掘装备已然不能满足现阶段施工的需求，为了有效应对这一情况，在实际作业过程中，往往需要频繁更换孔径大小的不同采掘装备。另外，在实际的施工过程中，也会遇到不同硬度的岩层，为了确保钻进作业的顺利推进，对于不同硬度的岩层还需要配对所需型号的钻头，因此，在施工过程中不仅需要频繁更换采掘装备，还需要频繁更换不同型号的钻头，这样会损耗大量的时间，从而会严重影响钻进施工的效率，同时，还会给操作人员带来巨大的劳动负荷。

2、为了有效解决现有的采掘装备功能单一，不能满足复杂工况下钻进需求的问题，亟需提供一种能够适应多种工况需求的多功能掘进装备。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种多尺度伞式锥面可调节正反采掘装备及施工方法，该装备功能多样、采掘能力强、灵活性能好、适用性广泛，能够大幅度提高钻进工作的施工效率，可同时满足矿山采掘和岩层钻进的需求，也可以满足地下工程中天井尺度的扩大作业的需求；该方法灵活性能好，自动化程度高，破岩效果强，钻进效率高，经济效益好，能确保整个钻进工作的顺利推进，可显著提高施工效率，同时，能极大降低操作人员的劳动负荷，具有广阔的应用前景。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种多尺度伞式锥面可调节正反采掘装备，包括固定圆盘、可调节式支撑机构和锥面主体；

3、所述固定圆盘的上部在其轴心区域开设有反钻进接头螺纹孔，其下端于反钻进接头螺纹孔的外侧周向均匀地开设有截面为圆形的三个弧形凹槽，其上端面于反钻进接头螺纹孔的外侧周向均匀地固定连接有四个支撑底座，其中，每个支撑底座的长度方向均沿径向延伸，并于内部具有沿长度方向延伸的钻头承载槽，每个支撑底座于其钻头承载槽内装配有可转动的钻头，所述钻头的首端尺寸较其尾端的尺寸更小，且沿一条径向分布的一对钻头的首端相对，沿另一条径向分布的一对钻头的尾端相对；

4、所述可调节式支撑机构设置在固定圆盘的下方，其由支撑杆底座、可伸缩支撑杆、可扩展支撑盘底座和可扩展支撑盘组成；所述支撑杆底座的上端同轴心地固定连接在固定圆盘的下端中心，其下部的轴心处开设有支撑杆安装槽；所述可伸缩支撑杆为电动式伸缩杆件，其内部安装有用于驱动其进行伸缩动作的伸缩支撑杆控制电机；可伸缩支撑杆的上端伸入到支撑杆安装槽中，并与支撑杆底座之间固定连接，其下端轴心处开设有正钻进接头螺纹孔；所述可扩展支撑盘底座的轴心处开设有安装孔，并通过安装孔固定套装在可伸缩支撑杆下端的外部；可扩展支撑盘底座的外缘部分沿周向均匀地开设有三个支撑盘安装槽，每个支撑盘安装槽的长度方向均沿径向延伸；所述可扩展支撑盘的数量为三个，其为电动式伸缩支撑件，其内部安装有用于驱动其进行伸缩动作的支撑盘控制电机；三个可扩展支撑盘径向地分布于可扩展支撑盘底座的周围，且其里端分别插装于三个支撑盘安装槽中，并与可扩展支撑盘底座之间固定连接，其外端固定安装有支撑固定咬合齿条；

5、所述锥面主体由周向均匀分布在可调节式支撑机构外围的三个可活动主伞体组成；每个可活动主伞体的顶端中心均固定连接有锥面连接杆，其外锥面的上部、中部和底部分别具有第一破岩区域、第二破岩区域和第三破岩区域，第一破岩区域、第二破岩区域和第三破岩区域均环向的延伸，在第一破岩区域上三等分点的两个位置对应的安装有两个支撑底座，且其中每个支撑底座中均装配有可转动的钻头；在第二破岩区域上的四等分点的三个位置对应的安装有三个支撑底座，且其中每个支撑底座中均装配有可转动的钻头；在第三破岩区域上五等分点的四个位置对应的安装四个支撑底座，且其中每个支撑底座中均装配有可转动的钻头；在可活动主伞体内锥面的中部、下部和底部依次设置有一级支撑台阶、二级支撑台阶和三级支撑台阶，一级支撑台阶、二级支撑台阶和三级支撑台阶在对应支撑固定咬合齿条的位置分别装配有大尺度钻进固定咬合齿条、中尺度钻进固定咬合齿条和小尺度钻进固定咬合齿条，大尺度钻进固定咬合齿条、中尺度钻进固定咬合齿条和小尺度钻进固定咬合齿条的倾斜角度各不相同，且在可活动主伞体向远离固定圆盘轴心线方向展开过程中，依次均能与支撑固定咬合齿条咬合连接，实现对三种扩展角度状态下可活动主伞体的固定支撑；三个可活动主伞体上锥面连接杆的端部分别伸入到固定圆盘上的三个弧形凹槽中，且锥面连接杆的端部分别与安装在对应弧形凹槽中的转动连接件铰接。

6、进一步，为了在不同的扩展角度下，均能通过可扩展支撑盘可靠地对可活动伞体进行稳定的支撑，以确保整个钻进工作能够更加顺利高效的进行，所述支撑固定咬合齿条垂直于可扩展支撑盘长度延伸方向布置；

7、在固定圆盘水平放置状态下，当可活动主伞体的母线与固定圆盘轴心线所成的夹角为40～50°时，大尺度钻进固定咬合齿条呈竖直状态，并与支撑固定咬合齿条咬合连接，当可活动主伞体的母线与固定圆盘轴心线所成的夹角为25～35°时，中尺度钻进固定咬合齿条呈竖直状态，并与支撑固定咬合齿条咬合连接，当可活动主伞体的母线与固定圆盘轴心线所成的夹角为10～20°时，小尺度钻进固定咬合齿条呈竖直状态，并与支撑固定咬合齿条咬合连接。

8、进一步，当三个可活动主伞体上的小尺度钻进固定咬合齿条分别与三个可扩展支撑盘上的支撑固定咬合齿条相互咬互合时，相邻两个可活动主伞体的侧边沿之间均留有相同尺寸的空隙，且空隙的两侧边沿与圆心的夹角为20°。这样，能确保在采掘装备处于最小尺寸时，能够将钻进时产生的废渣及时有效的通过空隙外排，从而可以保证钻进作业的顺利进行。

9、进一步，所述钻头由钻头转动轴、钻头主体、钻头固定底座和钻头固定接头组成；所述钻头主体的首端尺寸较其尾端的尺寸更小，且其整体尺寸由首端向尾端平滑过渡，钻头主体的外表面由首端到尾端依次设置有多层截齿圈，每层截齿圈上都均匀地安装有若干个截齿，且相邻两个截齿圈之间均开设有排屑槽，钻头主体的中心开设有轴向贯通孔，并通过轴向贯通孔可转动地套设在钻头转动轴的中部；两个钻头固定底座分别位于钻头主体的两侧，并套装在钻头转动轴的外部，用于防止钻头主体在钻头转动轴上发生轴向位移；两个钻头固定接头分别安装在钻头转动轴的两端，钻头固定接头上安装有用于与支撑座相连接的固定螺丝。在钻头转动轴的两端分别安装带有固定螺丝的钻头固定接头，可以使钻头为可拆卸式结构，这样，当某一个钻头磨损严重后，可直接更换新的钻头，从而无需更换整个采掘装备，有利于降低钻进成本，提高了采掘装备的使用寿命和钻进施工的经济效益。在相邻两个截齿圈之间均开设有排屑槽，能够方便将钻进过程中所产生的废屑及时排出。

10、进一步，还包括外接杆和前置钻进机构，所述外接杆由位于中部的夹紧稳定段和位于夹紧稳定段两端的两个螺纹连接段组成，所述夹紧稳定段具有向内侧凹陷的环形限位凹槽，用于在动力源设备施加拉力时保护螺纹连接段，外接杆通过其一端的螺纹连接段连接于正钻进接头螺纹孔中，其另一端的螺纹连接段用于连接动力源设备；

11、所述前置钻进机构由前置钻头支撑底座、前置钻头和前置钻头安装杆组成，所述前置钻头支撑底座的上端开设有钻头安装槽，所述前置钻头的结构与钻头的结构相同，其通过多个固定螺丝装配于钻头安装槽中，所述前置钻头安装杆的上端与前置钻头支撑底座的下端面中心固定连接，其下部外侧设置有外螺纹结构，并通过螺纹配合连接在反钻进接头螺纹孔中，且前置钻头位于固定圆盘上端四个钻头的上方。将外接杆连接于正钻进接头螺纹孔中，能够便于建立动力源设备与本采掘装备的连接，从而能方便进行正钻进作业。通过前置钻进机构的设置，能够在正向钻进时有效加快本采掘装备初始破岩钻进的效率。

12、进一步，还包括外接杆，所述外接杆由位于中部的夹紧稳定段和位于夹紧稳定段两端的两个螺纹连接段组成，所述夹紧稳定段具有向内侧凹陷的环形限位凹槽，用于在动力源设备施加拉力时保护螺纹连接段，外接杆通过其一端的螺纹连接段连接于反钻进接头螺纹孔中，其另一端的螺纹连接段用于连接动力源设备。将外接杆连接于反钻进接头螺纹孔中，能够便于建立动力源设备与本采掘装备的连接，从而能方便进行反钻进作业。

13、进一步，为了提高破岩的效果和钻进效率，所述可活动主伞体两侧边与圆心的夹角为100°。

14、进一步，为了有效提高破岩的效果和钻进效率，所述截齿圈的数量为6个，且首尾两个截齿圈上沿轴向装配有2排截齿，中部四个截齿圈上装配有1排截齿，同一排相邻的两个截齿之间的间距为0.5～1.5cm，相邻两排之间的截齿插空居中布置。

15、进一步，为了能够有效地破碎强度相对坚硬的岩层和矿层，所述截齿由合金材质制成，其尾端截面呈相对拼接的两个马蹄形，其首端为逐渐向中心线削尖的一字形。

16、本发明中，通过在固定圆盘的轴心设置反钻进接头螺纹孔，可以方便于其中连接外接杆，进而能方便的实现反向钻进作业；通过在可伸缩支撑杆的轴心设置正钻进接头螺纹孔，可以方便于其中连接外接杆，进而能方便的实现正向钻进作业；使三个可活动主伞体铰接在固定圆盘上并形成伞状结构，同时，在每个可活动主伞体的外锥面上依次设置有第一、第二和第三破岩区域，并在每个破岩区域上设置有由多排支撑底座所支撑的多排钻头，且于钻头上设置有多层截齿，这样，当该采掘装备随着动力源设备的转动轴转动时，将会先由固定圆盘上端安装的四个钻头开始向前钻进，其中，一对钻头小尺寸首端相对和一对钻头大尺寸尾端相对的布置方式可以保证固定圆盘内外圈部分能够均匀地向前推进，进而可开凿出与固定圆盘上端面直径大小相同的圆形孔洞，接着当钻进至可活动主伞体的部分接触钻进对象时，会依次由三个破岩区域上的钻头逐步进行扩孔作业，从而能够有效地提高采掘装备整体的破岩效果。具体地，先由分布在第一破岩区域上的钻头接触钻进对象，并将圆形孔洞的直径进行第一步扩大，再由分布在第二破岩区域上的钻头接触钻进对象，并将圆形孔洞的直径进行第二步扩大，然后分布在第三破岩区域上的钻头接触钻进对象，并将圆形孔洞的直径进行第三步扩大，此时形成的圆形孔洞直径即为最终钻进孔洞的直径。使可活动主伞体的内锥面依次设置有一级、二级和三级支撑台阶，并分别装配有大尺度、小尺度和小尺度钻进固定咬合齿条，并使可伸缩支撑杆的尾端通过可扩展支撑盘底座连接有三个可扩展支撑盘，同时，利用固定连接在可扩展支撑盘端部的支撑固定咬合齿分别与可活动主伞体内部的大、中和小尺度钻进固定咬合齿条相咬合的配合，这样，仅通过对支撑盘控制电机和支撑杆控制电机的控制便可实现可活动主伞体的扩展与回缩动作，进而可自动化的实现采掘装备钻进尺寸的调整，最终可满足不同孔径大小的钻进需求，显著提高了本装备的通用性。整个过程无需操作人员手动更换不同直径的采掘装备，极大的降低了操作人员的劳动负荷和人工成本。

17、本发明采掘装备功能多样，其具有3种钻进尺度，且钻进尺度的调整仅由电机便可以进行控制，既可满足多种不同孔径的钻进需求，也能够满足强度不同岩层的钻进需求，其采掘能力强，能够大幅度提高钻进工作的施工效率，其灵活性能好，能够实现正反双向钻进作业，同时，其适用性广泛，可同时满足矿山采掘和岩层钻进的需求，也可以满足地下工程中天井尺度扩大作业的需求。

18、本发明还提供了一种多尺度伞式锥面可调节正反采掘施工方法，包括一种多尺度伞式锥面可调节正反采掘装置，还包括以下步骤：

19、对于钻进的对象为巷道、隧道和矿体时，采用正向钻进模式，执行步骤一；当以扩大孔径为目的且钻进对象具有两个临空面而实施钻进时，采用反向钻进模式，执行步骤二；

20、步骤一：正向钻进方法如下；

21、s11：先将外接杆一端的螺纹连接段通过螺纹配合连接于正钻进接头螺纹孔中，再将外接杆另一端的螺纹连接段和夹紧稳定段与动力源设备的传动轴连接，其中，螺纹连接段用于保证与动力源设备转动轴稳固可靠的连接，夹紧稳定段用于在动力源设备施加拉力时保护螺纹连接段；

22、同时，将前置钻进机构中前置钻头安装杆的下部通过螺纹配合安装在反钻进接头螺纹孔中；

23、s12：根据所掘进对象的强度调整锥面主体的倾角；

24、当钻进对象为较为软弱的岩层时，调整为大尺度钻进状态；首先，通过控制支撑杆控制电机驱动可伸缩支撑杆向下伸展至大尺度钻进固定咬合齿条呈垂直状态时的水平处；接着，通过控制支撑盘控制电机驱动可扩展支撑盘向外扩展至大尺度钻进固定咬合齿条处，并确保支撑固定咬合齿条与大尺度钻进固定咬合齿条相互咬合，此时，采掘装备即调节为大尺度钻进状态；

25、当钻进对象为强度一般的岩层时，调整为中尺度钻进状态：首先，通过控制支撑杆控制电机驱动可伸缩支撑杆向下伸展至中尺度钻进固定咬合齿条呈垂直状态时的水平处；接着，通过控制支撑盘控制电机驱动可扩展支撑盘向外扩展至中尺度钻进固定咬合齿条处，并确保支撑固定咬合齿条与中尺度钻进固定咬合齿条相互咬合，此时，采掘装备即调节为中尺度钻进状态；

26、当钻进对象为较为强硬的岩层时，调整为小尺度钻进状态；首先，通过控制支撑杆控制电机驱动可伸缩支撑杆向下伸展至小尺度钻进固定咬合齿条呈垂直状态时的水平处；接着，通过控制支撑盘控制电机驱动可扩展支撑盘向外扩展至小尺度钻进固定咬合齿条处，并确保支撑固定咬合齿条与小尺度钻进固定咬合齿条相互咬合，此时，采掘装备即调节为小尺度钻进状态；

27、s13：在钻进过程中，首先由前置钻进机构开始第一次破岩，接着由固定圆盘上的4个钻头开始钻进，然后陆续由分布在第一破岩区域、第二破岩区域和第三破岩区域上的钻头对圆形孔洞进行逐渐扩大，以完成最终的孔洞钻进；

28、步骤二：反向钻进方法如下；

29、s21：先更换一根长度与钻进厚度相匹配的外接杆，并使其一端的的螺纹连接段通过螺纹配合连接于反钻进接头螺纹孔中；再使外接杆穿过需扩展的导孔后与动力源设备的传动轴连接，该过程中，动力源设备与采掘装备分布在钻进对象的两端，二者通过穿过导孔的外接杆相连；

30、s22：根据所需扩孔的孔径调整锥面主体的倾角；

31、当扩孔的孔径较大时，调整为大孔径扩孔状态；首先，通过控制支撑杆控制电机驱动可伸缩支撑杆向下伸展至大尺度钻进固定咬合齿条呈垂直状态时的水平处；接着，通过控制支撑盘控制电机驱动可扩展支撑盘向外扩展至大尺度钻进固定咬合齿条处，并确保支撑固定咬合齿条与大尺度钻进固定咬合齿条相互咬合，此时，采掘装备即调节为大孔径扩孔钻进状态；

32、当扩孔的孔径一般时，调整为中孔径扩孔状态：首先，通过控制支撑杆控制电机驱动可伸缩支撑杆向下伸展至中尺度钻进固定咬合齿条呈垂直状态时的水平处；接着，通过控制支撑盘控制电机驱动可扩展支撑盘向外扩展至中尺度钻进固定咬合齿条处，并确保支撑固定咬合齿条与中尺度钻进固定咬合齿条相互咬合，此时，采掘装备即调节为中孔径扩孔状态；

33、当扩孔的孔径较小时，调整为小孔径扩孔状态；首先，通过控制支撑杆控制电机驱动可伸缩支撑杆向下伸展至小尺度钻进固定咬合齿条呈垂直状态时的水平处；接着，通过控制支撑盘控制电机驱动可扩展支撑盘向外扩展至小尺度钻进固定咬合齿条处，并确保支撑固定咬合齿条与小尺度钻进固定咬合齿条相互咬合，此时，采掘装备即调节为小孔径扩孔状态；

34、s23开始钻进作业，在钻进过程中，首先由固定圆盘上的4个钻头开始钻进，然后陆续由分布在第一破岩区域、第二破岩区域和第三破岩区域上的钻头将对圆形孔洞进行逐渐扩大，以完成最终的孔洞钻进。

35、本发明采用多模式多步骤进行破岩作业，对于钻进的对象为巷道、隧道和矿体时，采用正向钻进模式，当以扩大孔径为目的且钻进对象具有两个临空面而实施钻进时，采用反向钻进模式。对于需要正钻进作业的工况，首先由前置钻头开始第一次破岩，接着由固定圆盘上的4个钻头开始钻进，然后陆续由分布在第一破岩区域、第二破岩区域和第三破岩区域上的钻头对圆形孔洞进行逐渐扩大，以完成最终的孔洞钻进；对于需要反钻进作业的工况，首先由固定圆盘上的4个钻头开始钻进，然后陆续由分布在第一破岩区域、第二破岩区域和第三破岩区域上的钻头将对圆形孔洞进行逐渐扩大，以完成最终的孔洞钻进。对于强度较软弱或需要扩孔孔径较大的岩层，将该采掘装备调整为大尺度钻进状态，以满足大孔径钻进的需求，对于强度一般或需要扩孔孔径一般的岩层，将该采掘装备调整为中尺度钻进状态，以满足一般岩层的破碎需求，而对于强度较高或需要扩孔孔径较小的岩层，将该采掘装备调整为小尺度钻进状态，以满足硬岩的破碎需求。

36、该方法灵活性能好，自动化程度高，破岩效果强，钻进效率高，经济效益好，通过该方法能确保整个钻进工作的顺利推进，显著的提高了施工效率，同时，极大的降低了操作人员的劳动负荷，具有广阔的应用前景。