[发明专利]一种钻拉剪破岩机构、钻拉剪原位破岩设备及掘进方法

说明书

本申请涉及矿山地下破岩技术领域，提供一种钻拉剪破岩机构、钻拉剪原位破岩设备及掘进方法，该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。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。该破岩设备充分利用了岩体抗压不抗拉剪的力学特性，具有破岩能力强、能耗低和体积小的优点。

技术领域

本申请属于矿山地下破岩技术领域，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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本申请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。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：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。