[发明专利]一种竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺

摘要

本发明公开一种竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，包括如下步骤(a)利用反井钻机钻进导井；(b)利用竖井掘进机钻进，使导井刷大到所需要直径的竖井；(c)在竖井井壁进行挂网和喷射混凝土，形成临时支护井壁；(d)利用竖井掘进机刷大掘进到下部巷道后，由上向下，逐渐拆除竖井掘进机组件。本发明的凿井工艺使得在有导井的情况下利用竖井掘进机一次钻进就形成设计直径的竖井井筒，适用于煤矿、金属、非金属等地下矿井竖井井筒施工。

主权项

一种竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，其特征在于，包括如下步骤：(a)利用反井钻机钻进导井：首先对地面不稳定地层进行开挖，浇筑混凝土形成反井钻机基础和竖井掘进机锁口，在反井钻机基础上安装反井钻机；其次利用反井钻机由上向下，钻进直径为1.6‑1.8m的钻孔，钻孔下口与下部巷道连通，钻孔偏斜控制在小于或等于0.5％，钻孔作为导井用于刷大，导井钻进完成后，将导井到锁口部分的混凝土开挖掉；(b)利用竖井掘进机钻进，使导井刷大到所需要直径的竖井：首先在导井上口周围的地面上安装用于凿井的竖井掘进机井架，然后在临近竖井掘进机井架的地面上分别安装凿井提升机、凿井稳车和竖井掘进机提升机，再利用竖井掘进机井架将竖井掘进机和多功能吊盘安装到位，并在导井上口处安装封口盘，最后利用竖井掘进机钻进，使导井刷大到所需要直径的竖井；凿井提升机驱动提升吊桶在竖井内上升和下降，凿井稳车通过绳索与竖井掘进机的钻杆上端连接以便在竖井掘进机掘进竖井时稳住竖井掘进机，竖井掘进机提升机通过绳索与多功能吊盘连接以便多功能吊盘在竖井内上升和下降，竖井掘进机井架包括倾斜支撑架和横梁，横梁的两端与位于其两端的倾斜支撑架固定连接；在横梁上固定安装有第一定滑轮、第二定滑轮和第三定滑轮，第一绳索的一端绕在竖井掘进机提升机上、另一端绕过多功能吊盘上的动滑轮后固定在横梁上，第二绳索的一端绕在凿井稳车上、另一端依次绕过第二定滑轮和安装在钻杆上端的动滑轮后固定在横梁上，第三绳索的一端绕在凿井提升机上、另一端绕过第三定滑轮后与提升吊桶连接；(c)在竖井井壁进行挂网和喷射混凝土，形成临时支护井壁结构：利用多功能吊盘在钻进形成的竖井中进行挂网和喷射混凝土，形成临时的支护井壁结构；多功能吊盘包括保护盘(3‑2)、中层盘(3‑7)和下层盘(3‑11)，保护盘(3‑2)位于中层盘(3‑7)的上方，下层盘(3‑11)位于中层盘(3‑7)的下方，保护盘(3‑2)与中层盘(3‑7)之间以及下层盘(3‑11)与中层盘(3‑7)之间均通过立柱(3‑4)刚性连接；保护盘(3‑2)与第一绳索(3‑1)连接，通过第一绳索(3‑1)带动保护盘(3‑2)、中层盘(3‑7)和下层盘(3‑11)一起上下运动；在保护盘(3‑2)、中层盘(3‑7)和下层盘(3‑11)上的上下对应位置开设有可通过竖井掘进机(3‑15)的钻杆(3‑13)的钻杆孔，并且在中层盘(3‑7)和下层盘(3‑11)上的上下对应位置开设有供吊桶运行的喇叭口(3‑3)；在中层盘(3‑7)上分别安装有支撑液压油缸(3‑5)和液压操作台(3‑10)，在下层盘(3‑11)上也安装有支撑液压油缸(3‑5)，通过支撑液压油缸(3‑5)使吊盘支撑在未支护的井帮上，竖井掘进机(3‑15)与支撑液压油缸(3‑5)驱动连接，支撑液压油缸(3‑5)用于稳固吊盘，防止吊盘上下移动和旋转；下层盘(3‑11)上固定安装有锚杆钻机(3‑9)，竖井掘进机(3‑15)与锚杆钻机(3‑9)驱动连接；竖井掘进机(3‑15)位于下层盘(3‑11)的下方，在下层盘(3‑11)上设通往竖井掘进机(3‑15)的操作平台(3‑14)的安全通道，在安全通道上设有带保护栏的连接扶梯(3‑12)；下层盘(3‑11)到中层盘(3‑7)以及中层盘(3‑7)到保护盘(3‑2)设有连接扶梯(3‑12)，保护盘(3‑2)和中层盘(3‑7)上均设有出口；中层盘(3‑7)安装喷浆机(3‑8)和混凝土材料分料及暂存装置，在中层盘(3‑7)进行挂网和喷射混凝土作业；保护盘(3‑2)、中层盘(3‑7)和下层盘(3‑11)上均设有信号系统，通过信号系统能够联系地面操作控制人员；上层盘(3‑2)设立安全防护防冲击缓冲层；多功能吊盘下行时，中层盘(3‑7)和下层盘(3‑11)上的支撑液压油缸(3‑5)收回，通过信号系统联系地面操作控制人员，使第一绳索(3‑1)悬吊着多功能吊盘下降一个支护段高，接着伸出中层盘(3‑7)和下层盘(3‑11)上的支撑液压油缸(3‑5)，使多功能吊盘支撑在未支护的井帮上，支撑液压油缸动力来源竖井掘进机(3‑15)，支撑液压油缸(3‑5)用于稳固多功能吊盘，防止多功能吊盘上下移动和旋转；支护时，利用竖井掘进机(3‑15)的动力，驱动下层盘(3‑11)上固定安装的锚杆钻机(3‑9)工作，钻进不同角度、直径和深度的锚杆孔；操作人员在下层盘(3‑11)上进行锚杆安装、充填和锁紧固定；同时，在中层盘(3‑7)上，利用喷浆机(3‑8)和混凝土材料分料及暂存装置进行挂网和喷射混凝土作业而形成临时支护井壁结构；竖井掘进机包括主框架结构、旋转驱动系统、破岩钻头、轴向推进系统和支撑系统，旋转驱动系统、轴向推进系统和支撑系统分别安装在主框架结构上；支撑系统的支撑板可以沿主框架结构的径向做往复运动，以便使得主框架结构悬停在竖井中或沿竖井轴向运动；旋转驱动系统与破岩钻头驱动连接以便驱动破岩钻头旋转；轴向推进系统与旋转驱动系统驱动连接以便推动旋转驱动系统和破岩钻头一起沿竖井轴向运动；主框架结构包括上框架、下框架和立柱，立柱的一端与上框架固定连接，立柱的另一端与下框架固定连接；轴向推进系统驱动旋转驱动系统沿立柱滑动；旋转驱动系统上开设有与立柱外形相配合的滑槽，旋转驱动系统通过滑槽与立柱的滑动配合安装在主框架结构上；轴向推进系统为推进油缸，推进油缸的缸筒和活塞杆二者中的任意一个与主框架结构固定连接，推进油缸的缸筒和活塞杆二者中的另一个与旋转驱动系统连接；支撑系统包括上支撑系统和下支撑系统，上支撑系统安装在上框架上，下支撑系统安装在下框架上；上框架上固定安装有安全保护罩，安全保护罩内分别安装有电控系统、液压系统和操作台；上框架和下框架均为轴向中部镂空的圆角方形框架，上框架的框架边和下框架的框架边上下一一对应，立柱为四个并且均固定安装在上框架的框架边和下框架的框架边之间，立柱的横截面为棱柱或侧面上设置有凸棱的棱柱，每个立柱的上端头与其正上方的上框架的框架边下表面固定连接、下端头与其正下方的下框架的框架边上表面固定连接；上支撑系统为四个并且分别安装在上框架的四个框架边上，下支撑系统为四个并且分别安装在下框架的四个框架边上；旋转驱动系统包括电机、齿轮箱和输出主轴，电机的动力输出端与齿轮箱的动力输入端驱动连接，齿轮箱的动力输出端与输出主轴的上端驱动连接，输出主轴的下端与破岩钻头固定连接；推进油缸为四个，其中两个推进油缸的缸筒固定安装在上框架的第一框架边上，另外两个推进油缸的缸筒固定安装在与第一框架边相对的上框架的第二框架边上，推进油缸的缸筒在框架边上均自上而下贯穿框架边而安装固定，推进油缸的活塞杆远离缸筒的一端与旋转驱动系统连接；第一框架边上安装的立柱夹在第一框架边上安装的两个推进油缸的缸筒之间，第二框架边上安装的立柱夹在第二框架边上安装的两个推进油缸的缸筒之间；上支撑系统和下支撑系统均包括支撑板、支撑油缸和导向杆，支撑油缸的缸筒临近支撑板的一端与支撑板内侧铰接安装在一起，支撑油缸的缸筒远离支撑板的一端可以进入或退出框架边上的第二导向孔，导向杆的一端也与支撑板内侧铰接安装在一起，导向杆的另一端伸入到框架边上的第一导向孔，支撑油缸的缸筒与第二导向孔之间以及导向杆与第一导向孔之间均为间隙配合，支撑油缸的推进杆远离缸筒的一端穿过第二导向孔并通过法兰盘与框架边固定连接；导向杆为两个，并且分别位于支撑油缸的左右两侧；导向杆和支撑板的铰接轴与缸筒和支撑板的铰接轴相互垂直；在推进杆内且沿推进杆轴向钻有第一进回油孔和第二进回油孔，第一进回油孔自推进杆远离缸筒一端的端面延伸至与活塞腔流体导通，第二进回油孔自推进杆远离缸筒一端的端面延伸至与活塞杆腔流体导通；竖井掘进机在竖井钻进施工时：竖井掘进机掘进通过破岩钻头，向破岩滚刀施加破岩推力和旋转扭矩，滚刀破岩以挤压机械方式破碎岩石，破碎的岩屑沿井底滑动，进入导井，下落到下部巷道，由下部运输系统装运；破岩钻头和旋转驱动系统的输出主轴以法兰盘连接，输出主轴对破岩钻头施加推进力和旋转扭矩；输出主轴的旋转扭矩来自旋转驱动系统的齿轮箱，电机带动齿轮箱齿轮系统旋转，实现减速，达到所需要输出的转速和扭矩；输出主轴输出的推进力沿输出主轴和竖井的轴向，此推进力由连接在齿轮箱上的推进油缸产生，推进油缸通过推进齿轮箱使齿轮箱在主框架结构内沿立柱上下滑动，以便向输出主轴传递推进力；推进油缸的缸筒和上框架的框架边固定连接，推进油缸的活塞杆和齿轮箱固定连接，通过推进油缸的活塞杆的上下运动，带动齿轮箱上下运动；四立柱作为齿轮箱上下运动的滑动轨道，并将齿轮箱破岩反扭矩传递到主框架结构上，主框架结构再通过四个上支撑系统和四个下支撑系统而支撑在井帮岩壁上，上支撑系统和下支撑系统还承受破岩反推力；完成破岩后，收回支撑系统的支撑板，推进油缸缩回，即：推进油缸的缸筒带动主框架一起靠近破岩钻头；主框架结构沿竖井轴向向下移动一段距离，然后支撑油缸推动支撑板继续支撑在岩石表面，经找正后，继续下一循环钻进；破岩钻头包括钻头中心轴和具有倾向侧边的翼板，钻头中心轴的上端顶部通过法兰盘与输出主轴固定连接，翼板沿钻头中心轴的轴线直立安装在钻头中心轴的侧立面上，倾向侧边自上而下逐渐靠近钻头中心轴，并且倾向侧边与钻头中心轴的距离大于零，在倾向侧边上安装有破岩滚刀；翼板为六个且沿钻头中心轴的圆周方向均匀分布，沿钻头中心轴的圆周方向上：相邻翼板之间的夹角为60度；钻头中心轴的下端头部固定安装有超前钻头，超前钻头包括倒立圆台和破岩滚刀，倒立圆台的上底面面积大于倒立圆台的下底面面积，倒立圆台的上底面与钻头中心轴的下端头部固定连接或一体成型，安装在倒立圆台的下底面上的破岩滚刀为中心刀，安装在倒立圆台的侧面上的破岩滚刀为正刀；倒立圆台的上底面直径与钻头中心轴的下端头部直径相等；倾向侧边的上端安装的两个破岩滚刀为边刀，两个边刀沿倾向侧边的宽度方向排列；自边刀向下沿倾向侧边的长度方向安装的破岩滚刀为正刀，正刀沿倾向侧边的长度方向自上而下一字排开；安装在任意一个翼板的倾向侧边上的正刀与安装在倒立圆台的侧面上且临近这个翼板的正刀在一条直线上而形成一个正刀组；并且相邻正刀组的正刀在钻头中心轴周向相间分布；边刀与倾向侧边可拆卸连接；钻头中心轴与倾向侧边的夹角为45度；(d)利用竖井掘进机刷大掘进到下部巷道后，由上向下，逐渐拆除竖井掘进机组件。