一种复合刀盘全断面破岩掘进机及其施工方法与流程

本发明属于斜、竖井掘进，具体涉及一种复合刀盘全断面破岩掘进机及其施工方法。

背景技术：

1、这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

2、目前，钻机法是斜井、竖井施工工法中的主要施工方法，采用钻杆式驱动钻机进行全断面或部分断面开挖时，随着钻进深度的增加，钻杆在传递钻压和扭矩的过程中克服井内各种摩擦阻力所损耗的能量比例增大，因此需要上部钻机提供更大的扭矩以及反扭矩确保正常施工，并且其无法实现同步支护，特别是钻机法无法在硬岩地质条件下施工，其中最大的一个难点是作业面高效排水排渣。在软弱地层围岩较破碎地区施工时，受破碎区影响，存在钻机不稳及渣体掉落等隐患，外加机体长度不够，往往需经多次才能通过破碎区，耗时较长。同时，现有的竖井施工工法在富水地层施工时，均需要地层冻结工艺进行辅助，大幅度增加了施工成本、延长了施工工期。在竖井施工过程中,掘进机刀盘破岩时会在掘进断面处连续产生岩渣,竖井施工的一个难点就是如何竖向高效排渣。将岩渣连续排出竖井会大大缩减施工工期。

3、在进行竖井掘进时，掘进主体机构掘进过程中升降工序尤为重要，决定着掘进深度、掘进效率以及掘进力。例如，cn114483041a《竖井掘进机及竖井掘进方法》中提到采用撑靴装置的摩擦力提供掘进反作用力，使得向下掘进，且掘进深度受限。在实际工程中，不一定所有的地层都适合撑靴支撑，当遇到软弱地层时将不适合撑靴支撑，就不适合继续掘进。

4、目前，随着钻进深度的增加，在大直径的竖井掘进时,刀盘组件的掘进能力受限于驱动组件的额定扭矩刀盘掘进时不能实现一次性全断面开挖,因此,根据现有驱动扭矩,采用了连续分级开挖方式。例如，cn 116717258b《一种竖井掘进机刀盘组件及竖井掘进机》中提到了一种刀盘可以进行一次施工即可完成多级掘进；但是其刀盘结构复杂，多组主刀架结构较长，在硬岩环境下切削力矩较大，易对刀架产生磨损甚至出现卡顿及机体偏移。

5、此外,大直径、全断面掘进时,随着掘进深度的不断增大,排渣系统的难度和功耗将急剧增加,例如,cn 115822605a《一种全断面竖井掘进机刀盘》中提到的全断面竖井掘进机刀盘内设有渣浆泵和增压泵,利用内外射流口的设置使刀盘掘进过程中产生的泥渣得到更好地清理，采用两个泵设计结构较为复杂。

6、在现有技术中也公开了一些掘进支护施工系统，例如在专利公布号为cn11425216a的专利中公开的一种复合式支护结构、施工系统及方法，此专利在施工复合支护结构时采用的掘进装置并没有一次成型，且掘进速率慢，其施工系统需要工人的参与，没有提及掘进废渣的处理工作。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种复合刀盘全断面破岩掘进机及其施工方法；集开挖、出渣与初支于一体的复合刀盘全断面破岩斜、竖井掘进机，适合大深度大直径斜、竖井的快速高效施工。掘进机的复合刀盘存在扭矩及反扭距，并辅以等离子切割头辅助破岩，使得钻进过程平稳高效，降低偏斜率。完成掘进破碎后,借助排渣装置将渣土碎石装载并通过传送带向上运输。斜、竖井掘进机是一种快速掘进隧道的工程机械，很大程度上仍然需要人工下井与机械配合，本发明通过设置智能化机构，可实现智能化、井下无人化施工。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明的实施例提供了一种复合刀盘全断面破岩掘进机；包括掘进机主体，在所述的掘进机主体上设置有多自由度可滑动撑靴；在掘进机主体内设置有排渣装置，在掘进机主体尾部设置有碾磨仓，所述的排渣装置与碾磨仓连通；在掘进机主体的前端设置有复合破岩刀盘，所述的复合破岩刀盘包括沿着掘进机掘进方向依次设置的正扭矩刀盘、反扭距刀盘；正扭矩刀盘的面积比反扭距刀盘面积大，正扭矩刀盘和反扭距刀盘整体均呈现锥形结构，在正扭矩刀盘和反扭距刀盘上均设置有圆形滚刀和等离子切割头，其中圆形滚刀、等离子切割头均沿着正扭矩刀盘和反扭距刀盘的圆周方向设置一圈，且圆形滚刀、等离子切割头间隔设置；在反扭距刀盘靠近钻孔底部的端面还设置有一圈楔形滚刀。

4、本发明提出的复合刀盘全断面破岩掘进机包括有三级刀盘，分别是圆形滚刀、等离子切割头和楔形滚刀，可以减小掘进扭矩，大大提高刀盘面对大扭矩的适应能力，且应用等离子切割技术辅助破岩，并且保留传统的掘进刀盘形式，减少了因应用复杂刀盘所产生的费用问题。本专利刀盘结构还结合了除渣系统，可以做到在施工中边掘进边除渣。

5、作为进一步的技术方案，所述的正扭矩刀盘、反扭距刀盘通过一套齿轮传动机构驱动。

6、作为进一步的技术方案，

7、所述的齿轮传动机构包括第一横向直伞齿轮、第二横向直伞齿轮、第三横向直伞齿轮、第一竖向锥形齿轮、第二竖向锥形齿轮、竖向直齿轮和转轴；第一横向直伞齿轮、第二横向直伞齿轮由转轴驱动其转动，第一横向直伞齿轮和第二横向直伞齿轮之间对称设置两个第一竖向锥形齿轮，且第一竖向锥形齿轮与第一横向直伞齿轮和第二横向直伞齿轮相啮合，所述第一竖向锥形齿轮分别通过传动轴与两个第二竖向锥形齿轮相连接，且在所述的两个传动轴上还固定安装竖向直齿轮，两个第二竖向锥形齿轮与同一个第三横向直伞齿轮相啮合；所述第三横向直伞齿轮驱动正扭矩刀盘转动，所述转轴驱动反扭距刀盘转动。

8、作为进一步的技术方案，两个竖向直齿轮分别各自驱动一套排渣装置旋转排渣。

9、作为进一步的技术方案，所述的排渣装置包括传送带、弧形铲斗和被动齿轮；所述的传送带由被动齿轮、竖向直齿轮驱动；沿着传送带的传送方向，在传送带上设置有若干依次排列的弧形铲斗。本发明提出一种传送带式运渣方式，进行边掘进边除渣的连续排渣方式，对于掘进产生的废渣可以使用碾磨机进行处理再抽出竖井，无需复杂的处理方法。

10、作为进一步的技术方案，所述的多自由度可滑动撑靴包括上撑靴、下撑靴；沿着掘进机主体前进方向，在掘进机主体上设置由多条轨道，在每条轨道上均设置有上撑靴、下撑靴。

11、作为进一步的技术方案，在每两个下撑靴之间设置一个混凝土出料装置；混凝土出料装置喷射混凝土，将软弱地层进行一定的加固，使得撑靴装置安全支撑，并且上下两级撑靴可以相互配合，提供掘进力以及使掘进机在竖井内可以上下移动。

12、作为进一步的技术方案，所述的混凝土出料装置包括混凝土储料罐，其通过管路与混凝土运输泵相连，通过泵送运输混凝土浆液至储料罐存储，经混凝土出料装置喷射骨料。

13、作为进一步的技术方案，在掘进主体上还安装有超前地质探测器，所述的超前地质探测器实时进行围岩破裂区监测。

14、第二方面，本发明基于上述复合刀盘全断面破岩掘进机，还提供了一种复合刀盘全断面破岩掘进机的施工方法，其特征在于，如下：

15、步骤1用吊机将掘进机主体放置在井口上方的固定支架上，钻头朝下，做好掘进准备；

16、步骤2启动电力设备驱动正扭矩刀盘和反扭距刀盘顺-逆结合旋转破岩，同时排渣装置沿竖向及径向旋转出渣，并运送到上方的碾磨仓，由抽吸泵将渣土运输至地面；

17、步骤3开启等离子电力设备及气体运输装置，使等离子切割头辅助破岩；

18、步骤4通过超前地质探测器实时进行围岩破裂区监测；

19、步骤5下撑靴支撑围岩内壁，掘进机机体向下滑动至滑轨长度，上撑靴相对下撑靴向下移动至滑轨另一端；

20、步骤6上撑靴支撑围岩内壁，下撑靴收缩；

21、步骤7上、下撑靴反复循环支撑使掘进机平稳向下采掘行进直至掘进结束。

22、上述本发明的实施例的有益效果如下：

23、本发明公开了一种复合破岩刀盘解决破碎硬岩工况以及减小破岩时所产生的扭矩，扭矩过大可能导致材料的过早疲劳或变形，这会在设备或结构中引入裂纹并最终导致失效。复合破岩刀盘从上而下由两层转动方向不同的刀盘构成，采用顺-逆结合的转动方式。上刀盘中反向直伞齿轮带动下刀盘的水平直伞齿轮转动，这种破岩方法可以很大程度上解决破岩时存在较大扭矩的情况，提高掘进效率以及机器工作时的稳定性，减少对钻杆的损伤，避免了掘进时因扭矩过大导致掘进机宕机，降低钻进过程的偏斜率。

24、本发明通过设计两种破岩刀及一种辅助破岩割炬可以高效的破碎岩体并减小碎石直径。其中圆形滚刀和楔形滚刀可以完成基本破岩工作，等离子切割头可以喷射电离后的高温、高速等离子体，对于坚硬岩体具有非常好的切割效果也就是高效破碎岩体，可以高效的辅助完成破岩工作，提高破岩质量，缩短施工工期。

25、本发明通过设计一种多自由度可滑动撑靴可大大提高施工工作智能化，采用简单易行的掘进行走方式，撑靴通过滑轨两端的自由臂伸展与收缩，实现大跨度跨越破碎区，防止掘进机支撑时由破碎区岩石影响进而发生偏斜及失稳状况，提高施工工作的安全性。

26、本发明通过设计一种齿轮传动机构可传输一个动力实现正扭矩刀盘、反扭距刀盘及排渣装置等多个设备同时运作，降低功率损耗及设备单独运行损伤，提升设备间协同配合及整体性，保障排渣装置随破岩量排渣。

27、本发明通过设计一种排渣装置可以应用于本发明专利中，实现渣土随量定量排渣，并碾磨大颗粒硬岩块提高泵送抽吸率，因此提高掘进工作中的智能化程度，提高渣土运输效率，保障施工工作安全有效的进行。

28、本发明通过设计一种混凝土出料装置可及时进行围岩破碎区修复确保掘进过程的顺利，防止破碎区岩块掉落及围岩受扰动影响掘进过程正常运行。

29、本发明通过一种智能的控制系统做到井下施工无人化、智能化，采用超前地质探测器可提前探测前方破碎区围岩的节理、范围及发育状况，将施工顺序编写成一种运行程序导入到控制系统里，通过地面人员的控制完成斜、竖井的掘进工作，且保障了施工人员的安全和提高了施工效率。