一种集成水射流系统的掘锚一体机及施工方法

技术领域

本发明涉及掘锚一体机技术领域，具体涉及一种集成水射流系统的掘锚一体机及施工方法。

背景技术

煤炭是我国的主要能源之一，其在全国一次性能源生产和消费总量中的占比很大。相比采用综掘机或爆破等方式进行煤矿井下巷道掘进，掘锚机一次成巷锚固技术不仅改善了生产环境的安全性，还极大地提高了作业效率。但如遇到坚硬夹矸层时，掘锚机一体机存在掘进效率低、设备磨损严重等问题。

此外，巷道支护时，掘锚一体机面临锚固岩层结构复杂、巷道深部高应力、瓦斯突出等问题。

综上所述，急需一种集成水射流系统的掘锚一体机及施工方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种集成水射流系统的掘锚一体机，旨在解决掘锚一体机在遇到坚硬岩层时存在掘进效率低、设备磨损严重，以及面临锚固岩层结构复杂、巷道深部高应力、瓦斯突出等问题，具体技术方案如下：

一种集成水射流系统的掘锚一体机，包括掘锚一体机和设置于掘锚一体机上的水射流系统，所述掘锚一体机包括用于对掌子面施工的截割滚筒，所述水射流系统包括均设置于掘锚一体机上的水射流钻孔装置和掌子面切缝装置，所述掌子面切缝装置用于对掌子面进行切缝作业，所述水射流钻孔装置用于钻孔或钻孔切缝作业。

以上技术方案中优选的，所述掌子面切缝装置包括水射流喷头和喷头多自由度臂架，水射流喷头设置于所述喷头多自由度臂架上，所述喷头多自由度臂架设置于掘锚一体机上。

以上技术方案中优选的，所述截割滚筒通过截割臂架设置于掘锚一体机本体上，所述喷头多自由度臂架设置于截割臂架上。

以上技术方案中优选的，所述掌子面切缝装置还包括罩壳，所述水射流喷头设置于罩壳内，所述罩壳的中心孔与水射流喷头的喷嘴对应设置。

以上技术方案中优选的，所述水射流钻孔装置包括回转平台、钻机多自由度臂架以及水射流钻机，所述水射流钻机通过钻机多自由度臂架设置于回转平台上，所述回转平台设置于掘锚一体机本体上；通过对水射流钻机更换不同钻头实现钻孔或钻孔切缝作业。

以上技术方案中优选的，所述钻机多自由度臂架与水射流钻机之间采用可拆卸连接。

以上技术方案中优选的，所述水射流钻孔装置包括水射流钻杆和钻机，所述水射流钻杆可拆卸设置于所述钻机上，所述钻机的一侧设有水射流钻杆库，所述水射流钻杆库中设有不同规格的水射流钻杆。

以上技术方案中优选的，所述水射流系统还包括提供水射流所需工作介质的工作介质提供装置；所述工作介质提供装置包括高压水泵、分路阀和调压阀，所述高压水泵用于提供加压后的工作介质，所述分路阀将高压水泵出来的工作介质分配至水射流钻孔装置和掌子面切缝装置，所述调压阀用于调节水射流系统的工作压力。

本发明还提供了一种使用上述集成水射流系统的掘锚一体机的施工方法：

未遇到夹矸层时，截割滚筒正常掘进，掌子面切缝装置不工作；

遇到夹矸层时，先控制喷头多自由度臂架使水射流喷头靠近夹矸层，对夹矸层进行横向切缝，切缝完成后截割滚筒从夹矸层的上方开始截割，截割滚筒掘进至切缝深度后向下进行截割，直至夹矸层截割完毕；然后，截割滚筒再对整个掌子面从上至下截割，从而完成整个掌子面的截割，此时截割滚筒的掘进深度为切缝深度；

横向切缝的数量为至少一条。

以上技术方案中优选的，通过水射流钻孔装置对巷道侧壁或/和掌子面进行钻孔作业或钻孔切缝作业，满足瓦斯抽放、锚固支护、注浆防灭火或应力卸压作业需求；

采用水射流钻孔装置对巷道侧壁进行钻孔切缝作业得到锚杆孔，通过锚杆钻机将注浆锚杆安装至锚杆孔后完成注浆，从而实现注浆锚杆的安装。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

通过将水射流系统集成至掘锚一体机进行掘进、固锚作业，可在掌子面掘进、巷道支护等方面有效提高掘锚一体机的掘进、支护作业效果。

利用矸石层(即夹矸层)矸石抗剪强度远低于抗压强度的特性，通过掌子面切缝装置实现对掌子面进行切缝作业从而弱化岩层强度，联合掘锚一体机截割滚筒对掌子面进行截割作业，水射流喷头和截割滚筒的配合实现矸石层的快速破碎和剥离，提高掘进效率并降低截齿损耗，提高截齿刀具使用寿命，减小施工成本。将掌子面切缝装置与掘锚机一体机有效集成，简化工序、提高作业效率。

水射流喷头对夹矸层进行横向切缝(即沿垂直于巷道高度的方向切缝)，完成切缝后有效弱化了岩体强度；其次，截割滚筒从上而下截割(即截割滚筒的截割方向与切缝方向垂直)，由于切缝存在，夹矸层相当于是悬臂梁，当截割滚筒作用在悬臂梁支点远端时，夹矸层深处受到极大应力，便于截割滚筒破碎岩石，提高了掘进效率。

利用水射流钻机进行钻孔或钻孔切缝作业，可满足锚固支护、注浆防灭火、应力卸压、瓦斯抽取等作业需求；有效地减少巷道空间变形、瓦斯突出，实现多途径支护、提升巷道稳定性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是实施例1中集成水射流系统的掘锚一体机的整体结构示意图；

图2a是从夹矸层上方开始截割的示意图；

图2b是夹矸层截割示意图；

图2c是从掌子面上方开始截割的示意图；

图2d是掌子面截割完毕的示意图；

图3是钻机钻头的结构示意图；

图4是切缝钻头的结构示意图；

图5是巷道钻孔切缝的示意图；

图6是实施例2中集成水射流系统的掘锚一体机的整体结构示意图；

其中，1、掘锚一体机，2、运输装置，3、高压水泵，4、回转平台，5、钻机多自由度臂架，6、水射流钻机，7、锚杆钻机，8、截割臂架，9、截割滚筒，10、煤层，11、掌子面切缝，12、夹矸层，13、水射流喷头，14、喷头多自由度臂架，15、装载装置，16、水射流钻杆，17、钻进钻头，17.1、第一通道，17.2、第一出口，18、切缝钻头，18.1、第二通道，18.2、第二出口，19、应力卸压切缝，20、巷道，21、注浆锚杆切缝，22、锚杆，23、注浆防灭火切缝。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1：

参见图1-图5，一种集成水射流系统的掘锚一体机，具体是应用于煤炭的挖掘，包括掘锚一体机1和设置于掘锚一体机1上的水射流系统，所述掘锚一体机1包括用于对掌子面施工的截割滚筒9，所述水射流系统包括均设置于掘锚一体机1上的水射流钻孔装置和掌子面切缝装置，所述掌子面切缝装置用于对掌子面进行切缝作业，所述水射流钻孔装置用于钻孔或钻孔切缝作业。

所述掌子面切缝装置包括水射流喷头13和喷头多自由度臂架14，水射流喷头13设置于所述喷头多自由度臂架14上，所述喷头多自由度臂架14设置于掘锚一体机1上。所述掌子面切缝装置还包括罩壳，所述水射流喷头13设置于罩壳内，所述罩壳的中心孔与水射流喷头13的喷嘴对应设置，罩壳主要是对水射流喷头起保护作用。

所述截割滚筒9通过截割臂架8设置于掘锚一体机本体上，所述喷头多自由度臂架14设置于截割臂架8上；优选的，所述掌子面切缝装置位于截割滚筒9的下方。

参见图1，所述掘锚一体机还包括装载装置15和运输装置2，所述装载装置15设置于截割滚筒9的下方，所述运输装置2设置于掘锚一体机的后方，所述装载装置15和运输装置2均用于输送岩渣。

参见图1，所述水射流钻孔装置包括回转平台4、钻机多自由度臂架5以及水射流钻机6，所述水射流钻机6通过钻机多自由度臂架5设置于回转平台4上，所述回转平台4设置于掘锚一体机本体上；通过对水射流钻机6更换不同钻头实现钻孔或钻孔切缝作业。所述钻头包括钻进钻头17和切缝钻头18。

参见图3，所述钻进钻头17用于钻孔，所述钻进钻头17内部设有工作介质流通的第一通道17.1，所述钻进钻头17的切削端面上设有多个第一出口17.2，所述第一出口17.2与第一通道17.1连通，工作介质从第一出口射出从而实现钻孔钻进。

参见图4，所述切缝钻头18用于钻孔切缝，所述切缝钻头18内部设有工作介质流通的第二通道18.1，所述切缝钻头18的切削端后方设有多个第二出口18.2，所述第二出口18.2的轴线垂直于切缝钻头18的推进方向，切缝钻头18的切削端实现钻孔，第二出口射出的工作介质用于对钻孔的内壁进行切缝。

进一步地，通过更换不同尺寸的钻杆还可以提高钻机的速率，提高施工效率。

所述回转平台4优选通过油缸驱动进行旋转，回转平台的具体结构属于现有技术，在此不再进一步描述。优选所述钻机多自由度臂架和喷头多自由度臂架均为机械手臂，钻机多自由度臂架和喷头多自由度臂架的自由度可以根据实际需求进行设计，从而满足伸缩、回转、摆动等运动需求。

参见图1，所述掘锚一体机1还包括设置于掘锚一体机本体上的锚杆钻机7，所述水射流钻孔装置和锚杆钻机7均设置于掘锚一体机本体的顶部且位于靠近掌子面的一侧。

优选的，所述钻机多自由度臂架5与水射流钻机6之间采用可拆卸连接，水射流钻机采用可拆卸式连接的好处在于：当钻机多自由度臂架无法够着的地方需要施工时，可以将水射流钻机拆卸下来单独移动到需要施工的地方。

所述水射流系统还包括提供水射流所需工作介质的工作介质提供装置；所述工作介质提供装置包括高压水泵3、分路阀和调压阀，所述高压水泵3用于提供加压后的工作介质，所述分路阀将高压水泵3出来的工作介质分配至水射流钻机6和水射流喷头13，所述调压阀用于调节水射流系统的工作压力。所述工作介质为纯水或者是加有磨料的纯水，从而形成高压水射流或高压磨料水射流。

参见图1，所述高压水泵3设置于掘锚一体机本体的后端，本实施例中高压水泵3、分路阀和调压阀集成在一起，工作介质提供装置与水射流喷头13、水射流钻机6之间采用高压软管进行连接，高压软管可根据实际情况布置于掘锚一体机上；水射流系统中的器件采用分体式的方式布置于(即分开布置)掘锚一体机的不同位置，契合掘锚一体机的原有结构进行安装。

通过高压水分路阀、调压阀，合理分配压力流量，减少切缝宽度而增加切缝深度，更高效利用泵站功率。同时，高压水泵通过分路阀、调压阀可实现掌子面切缝、钻孔切缝单独供水或是同步供水，作业形式灵活，泵站利用效率高。通过降低水射流喷头横移速度，也可在一定范围内增大切缝的深度与宽度。

本实施例还提供了一种上述集成水射流系统的掘锚一体机的施工方法：

未遇到夹矸层12时，截割滚筒9正常掘进，掌子面切缝装置不工作(水射流喷头处于缩回状态)；

遇到夹矸层12时，先控制喷头多自由度臂架14使水射流喷头13靠近夹矸层(水射流喷头处于伸出状态)，对夹矸层进行横向切缝，切缝完成后截割滚筒9从夹矸层的上方开始截割(截割前水射流喷头缩回)，截割滚筒9掘进至切缝深度后向下进行截割，直至夹矸层截割完毕；然后，截割滚筒9再对整个掌子面从上至下截割，从而完成整个掌子面的截割，此时截割滚筒9的掘进深度为切缝深度；如图2a-图2d所示。

优选的，横向切缝的数量为至少一条，当夹矸层较厚时，可进行多次横向切缝，可减少单次截割夹矸层的厚度，提高夹矸层处的掘进效率、降低磨损。

通过水射流钻孔装置对巷道20侧壁或/和掌子面进行钻孔作业或钻孔切缝作业，满足瓦斯抽放、锚固支护、注浆防灭火或应力卸压作业需求；参见图5，图5中示意了应力卸压切缝19、注浆锚杆切缝21以及注浆防灭火切缝23等。

采用掘锚一体机的锚杆钻机7可以完成普通锚杆22的安装，当需要安装注浆锚杆时可以采用水射流钻孔装置与锚杆钻机联合作业，具体是：采用水射流钻孔装置对巷道20侧壁进行钻孔切缝作业得到锚杆孔，锚杆钻机7将注浆锚杆安装至锚杆孔后完成注浆，从而实现注浆锚杆的安装。

在使用本实施例的掘锚一体机对煤碳进行挖掘时，通过多自由度臂架以及截割臂架的运动，可完成水射流喷头对指定区域的轨迹切割，通过水射流喷头可以对掌子面的坚硬岩层(具体是指夹矸层)进行横向切缝作业形成掌子面切缝11，以降低岩层强度，使夹矸层形成悬臂梁；通过截割滚筒可以实现对掌子面的煤层10进行截割，水射流喷头和截割滚筒的配合实现矸石层的快速破碎和剥离，提高掘进效率、降低截齿损耗。

水射流喷头对夹矸层进行横向切缝(即沿垂直于巷道高度的方向切缝)，完成切缝后有效弱化了岩体强度；其次，截割滚筒从上而下截割，由于切缝存在，夹矸层相当于是悬臂梁，当截割滚筒作用在悬臂梁支点远端时，夹矸层深处受到极大应力，便于截割滚筒破碎岩石，提高了掘进效率。

利用矸石层矸石抗剪强度远低于抗压强度的特性，采用水射流喷头对夹矸层进行切缝可以大大提升掘进效率；需要说明的是，结合夹矸层实际工况，喷头形式、切缝深度及方向，以及压力、流量等参数可以根据需求进行选择。

掌子面截割后，水射流钻孔装置进行钻孔或钻孔切缝作业，可满足锚固支护、注浆防灭火、应力卸压、瓦斯抽取等需求，提升支护效果。

实施例2：

参见图6，本实施例与实施例1的区别在于水射流钻孔装置不同，本实施例中的水射流钻孔装置包括水射流钻杆16和钻机，所述水射流钻杆16可拆卸设置于所述钻机上，所述钻机的一侧设有水射流钻杆库，所述水射流钻杆库中设有不同规格的水射流钻杆。其中钻机为掘锚机自带的，通过更换将原有的钻杆更换成水射流钻杆同样可以实现钻孔或钻孔切缝作业，将水射流钻杆末端通过回转接头与高压软管连接即可实现正常工作。根据掘锚机现有的结构，钻机通过滑移平台和回转平台设置于截割臂架8上，这种改进的优点是成本小，可以利用掘锚机原有的钻机。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。