瓦斯突出隧道施工用异形切槽爆破钻孔装置及方法

技术领域

本申请涉及隧道施工的技术领域，尤其是涉及一种瓦斯突出隧道施工用异形切槽爆破钻孔装置及方法。

背景技术

在隧道勘察或施工过程中，若隧道内长期存在一定浓度的瓦斯，则该隧道应定为瓦斯隧道，对于瓦斯隧道通常是采用“新奥法”施工。新奥法是在利用围岩本身所具有的承载效能的前提下，采用毫秒爆破和光面爆破技术，进行全断面开挖施工，并以形成复合式内外两层衬砌来修建隧道的洞身，即以喷混凝土、锚杆、钢筋网、钢支撑等为外层支护形式，称为初次柔性支护，系在洞身开挖之后必须立即进行的支护工作；因为蕴藏在山体中的地应力由于开挖成洞而产生再分配，隧道空间靠空洞效应而得以保持稳定。

在对隧道进行爆破施工时，为防止爆破后隧道的围岩坍塌，隧道施工前，还需要根据隧道周围不同的地质、隧道断面大小、以及围岩的等级制定不同的爆破方案，主要包括全断面法、台阶法、中隔壁-双侧壁导坑法等，在开设炮孔时，还需要根据岩层的结构组成，利用钻孔设备在爆破面上从多个方向钻取炮孔，之后，再按照预先设计的爆破参数配置好炸药包后放入各炮孔内，然后再进行引爆。

目前，在向瓦斯隧道的爆破面上开设炮孔时，通常需要不断向钻头位置喷射冷却水，其主要目的是为了对钻头进行冷却降温，避免钻孔过程中产生火星，进而降低隧道内发生瓦斯爆炸的可能；炮孔在开设时，沿斜向下方向开设的炮孔内的水和泥沙则会积蓄在炮孔内，当炮孔开设完成后，还需要将炮孔内的大部分水和淤泥清理出来，以便安装炸药，在清理炮孔内的水和泥沙时非常不方便。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本申请提供一种瓦斯突出隧道施工用异形切槽爆破钻孔装置及方法，具有在钻孔完成后，便于对炮孔内的大部分水和淤泥进行清理的效果。

第一方面，本申请提供的一种瓦斯突出隧道施工用异形切槽爆破钻孔装置，采用如下的技术方案：

一种瓦斯突出隧道施工用异形切槽爆破钻孔装置，包括机架以及设置在机架上的机械臂，所述机械臂上滑动设置有套杆，所述机械臂上设置有用于驱使套杆移动的驱动件，所述套杆内转动设置有钻杆，所述钻杆上设置有钻头，所述套杆上设置有用于驱使钻杆转动的第一驱动源；所述套杆靠近钻头的端部设置有喷头，所述机架上设置有用于向喷头供水的供水组件；所述套杆的侧壁开设有收纳槽，所述套杆上套设有膨胀气垫，且所述膨胀气垫设置在收纳槽内，所述机架上设置有用于向膨胀气垫内充气的充气组件。

可选的，所述钻杆包括第一杆体和第二杆体，所述第一杆体转动设置在套杆内，所述第二杆体沿第一杆体的长度方向滑动设置在第一杆体上，所述第一杆体上设置有用于驱使第二杆体向远离第一杆体方向滑动的第一弹性件，所述钻头设置在第二杆体上。

可选的，所述第一杆体远离第二杆体的端部沿第一杆体的长度方向开设有通孔，所述通孔内滑动设置有激振杆，所述套杆上设置有用于驱使激振杆滑动并撞击第二杆体的驱动机构。

可选的，所述驱动机构包括壳体、第二弹性件、凸轮、拨块和第二驱动源，所述壳体固定设置在套杆远离钻头的一端，所述壳体内设置有氮气室，所述激振杆的一端穿设于壳体内，且延伸至氮气室内，所述第二弹性件用于驱使激振杆向靠近第二杆体方向滑动，所述凸轮转动设置在壳体内，所述拨块固定设置在激振杆上，所述凸轮用于抵接拨块并驱使激振杆向远离第二杆体方向滑动，所述第二驱动源用于驱使凸轮转动。

可选的，所述钻头可拆卸设置在第二杆体上，所述第二杆体上设置有用于固定钻头的固定机构。

可选的，所述固定机构包括安装杆、插块和传动组件，所述安装杆固定设置在第二杆体的端部，所述钻头的端部沿钻头的轴向开设有安装槽，安装槽与安装杆相适配，所述安装杆的侧壁开设有容置槽，所述插块沿靠近或远离安装杆的方向滑动设置在容置槽内，所述安装槽的侧壁开设有用于供插块插入的卡槽，所述传动组件用于驱使插块滑动。

可选的，所述传动组件包括第三弹性件、顶杆和限位件，所述第三弹性件用于驱使插块向靠近安装杆方向滑动，所述第二杆体内沿第二杆体的长度方向开设有与容置槽连通的腔体，所述顶杆滑动穿设在腔体内，所述顶杆上设置有引导斜面，所述引导斜面用于抵接插块并驱使插块向远离第二杆体方向滑动，所述限位件用于阻止顶杆滑动。

可选的，所述限位件包括螺套，所述第二杆体的侧壁开设有与螺套相适配的外螺纹，所述螺套套设在第二杆体上且与第二杆体螺纹配合，所述螺套上同轴转动设置有安装环，所述第二杆体的侧壁沿第二杆体的长度方向开设有与腔体连通的连接口，所述顶杆上固定设置有连接块，所述连接块滑动穿设在连接口内且与安装环固定连接。

可选的，所述套杆上套设有波纹密封套，所述套杆上沿套杆的长度方向滑动套设有滑套，所述波纹密封套的一端与套杆固定连接，所述波纹密封套的另一端与滑套固定连接，所述套杆上设置有用于驱使滑套向靠近钻头方向滑动的第四弹性件，且所述波纹密封套用于封闭收纳槽。

第二方面，本申请提供一种瓦斯突出隧道施工用异形切槽爆破钻孔装置的工作方法，采用如下的技术方案：

一种瓦斯突出隧道施工用异形切槽爆破钻孔装置的工作方法，包括以下步骤：

S1、钻孔，通过机械臂将钻头移动到指定位置，并调整好钻孔角度，之后通过第一驱动源驱使钻杆转动，并带动钻头转动，再通过驱动件驱使套杆滑动，进而在爆破面上进行钻孔，与此同时，通过供水组件向喷头进行供水，进而对钻头进行降温；

S2、排水，当钻孔完成后，通过充气组件向膨胀气垫内充气，随着向膨胀气垫内充气，膨胀气垫发生膨胀并填充炮孔内的间隙，进而将炮孔内的大部分水以及少部分的泥沙挤出；

S3、排沙，之后，再将膨胀气垫内的气体抽离，再驱使钻头退出炮孔，钻头在退出炮孔的过程中，将炮孔内的大部分沙土带出，进而完成对炮孔内大部分水和淤泥的清理。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.本申请通过机械臂将钻头移动到指定位置，并调整好钻孔角度，之后通过第一驱动源驱使钻杆转动，并带动钻头转动，再通过驱动件驱使套杆滑动，进而在爆破面上进行钻孔，与此同时，通过供水组件向喷头进行供水，进而对钻头进行降温；在钻孔过程中，沿斜向上或水平方向开设的炮孔内的水会裹挟泥沙从炮孔内流出，而沿斜向下方向开设的炮孔内的水和泥沙则会积蓄在炮孔内，当钻孔完成后，通过充气组件向膨胀气垫内充气，随着向膨胀气垫内充气，膨胀气垫发生膨胀并填充炮孔内的间隙，进而将炮孔内的大部分水以及少部分的泥沙挤出，之后，再将膨胀气垫内的气体抽离，再驱使钻头退出炮孔，钻头在退出炮孔的过程中，将炮孔内的大部分沙土带出，进而完成对炮孔内大部分水和淤泥的清理，在对炮孔内的水和沙土进行清理的时候方便快捷。

2.在钻孔过程中，当遇到岩层比较坚硬时，随着套杆的滑动，第二杆体向靠近第一杆体方向滑动一定距离，从而有效避免套杆的进给速度过快，并超过钻头的钻孔速度，导致钻头磨损严重。

3.当遇到比较坚硬的岩层时，第二杆体向靠近第一杆体方向移动一段距离后，通过驱动机构驱使激振杆在第一杆体内往复滑动，并撞击第二杆体，带动钻头对岩层起到一定的冲击力，进而使钻头周围坚硬的岩层破碎，从而提高钻孔效率。

附图说明

图1是本申请实施例的整体结构示意图；

图2是本申请实施例用于表达套杆的结构示意图；

图3是图2中A部分的放大视图；

图4是图2中B部分的放大视图；

图5是本申请实施例用于表达驱动机构的结构示意图；

图6是本申请实施例用于表达固定机构的结构示意图；

图7是图6中C部分的放大视图。

附图标记说明：1、机架；12、水箱；13、水泵；14、导水管；15、空压机；16、导流管；2、机械臂；21、主臂杆；22、伸缩臂；23、支撑架；24、第一液压缸；25、第二液压缸；26、驱动件；3、套杆；31、通水孔；32、喷头；33、膨胀气垫；34、滑套；35、波纹密封套；36、第四弹性件；37、第一驱动源；371、驱动齿轮；38、固定架；4、钻杆；41、第一杆体；411、通孔；412、第一弹性件；413、从动齿轮；414、激振杆；42、第二杆体；421、导向杆；422、导向块；423、防脱块；424、安装杆；4241、容置槽；4242、第三弹性件；425、插块；426、顶杆；427、腔体；428、螺套；4281、安装环；4282、连接块；5、钻头；51、安装槽；52、卡槽；6、壳体；61、第二弹性件；62、凸轮；63、拨块；64、第二驱动源；65、氮气室。

具体实施方式

以下结合附图1-7对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种瓦斯突出隧道施工用异形切槽爆破钻孔装置。参照图1，包括机架1以及设置在机架1上的机械臂2，机械臂2包括转动设置在机架1上的主臂杆21、滑动设置在主臂杆21上的伸缩臂22、以及转动设置在伸缩臂22上的支撑架23，支撑架23上滑动设置有套杆3，套杆3内转动穿设有钻杆4，钻杆4上固定设置有钻头5。

参照图1，机架1上固定设置有伺服电机11，伺服电机的输出轴与主臂杆21的转动轴同轴固定连接，主臂杆21上固定设置有第一液压缸24，第一液压缸24的活塞杆与伸缩臂22固定连接，伸缩臂22上铰接有第二液压缸25，第二液压缸25的活塞杆与支撑架23铰接；套杆3的长度方向与支撑架23的转动轴垂直，且套杆3的长度方向与套杆3的滑动方向平行，支撑架23上设置有用于驱使套杆3滑动的驱动件26，驱动件26包括气压缸，气压缸固定设置在支撑架23上，气压缸的活塞杆与套杆3固定连接。

参照图1、2，套杆3的端部沿套杆3的长度方向开设有通水孔31，套杆3靠近钻头5的一端固定设置有喷头32，喷头32与通水孔31连通，机架1上设置有用于向喷头32供水的供水组件，供水组件包括水箱12、水泵13和导水管14，水箱12固定设置在机架1上，水箱12的顶壁开设有进水口，进水口处扣接有封盖，泵体的进水端连通有进水管，进水管延伸至水箱12内且与水箱12连通，导水管14与水泵13的出水端连通，且导水管14与通水孔31连通，导水管14采用软管；在钻孔过程中，通过水泵13将水箱12内的水导入导水管14，之后依次通过导水管14和通水孔31，最后由喷头32喷出，对钻头5进行降温。

参照图2、3，套杆3的侧壁开设有收纳槽，套杆3上套设有膨胀气垫33，且膨胀气垫33设置在收纳槽内，膨胀气垫33与套杆3固定连接。

参照图1、3，机架1上设置有用于向膨胀气垫33内充气的充气组件，充气组件包括空压机15和导流管16，空压机15固定设置在机架1上，导流管16的两端分别与空压机15和膨胀气垫33连通，导流管16采用软管。

在钻孔过程中，沿斜向上或水平方向开设的炮孔内的水会裹挟泥沙从炮孔内流出，而沿斜向下方向开设的炮孔内的水和泥沙则会积蓄在炮孔内，当钻孔完成后，通过空压机15和导流管16向膨胀气垫33内充气，随着向膨胀气垫33内充气，膨胀气垫33发生膨胀并填充炮孔内的间隙，进而将炮孔内的大部分水以及少部分的泥沙挤出，而炮孔内的大部分泥沙则会粘附在炮孔的内壁或是膨胀气垫33上，之后，再将膨胀气垫33内的气体抽离，再驱使钻头5退出炮孔，钻头5在退出炮孔的过程中，钻头5和膨胀气垫33会将炮孔内的大部分沙土带出，进而完成对炮孔内大部分水和淤泥的清理。

参照图2、3，套杆3上沿套杆3的长度方向滑动套设有滑套34，套杆3上套设有波纹密封套35，波纹密封套35的一端与套杆3固定连接，波纹密封套35的另一端与滑套34固定连接，波纹密封套35采用橡胶材质，套杆3上设置有用于驱使滑套34向靠近钻头5方向滑动的第四弹性件36，第四弹性件36包括复位弹簧，复位弹簧嵌设在波纹密封套35内；在未使用时，通过波纹密封套35封闭收纳槽，对膨胀气垫33进行保护，有效避免在运输过程中，膨胀气垫33发生破碎；而在钻孔过程中，滑套34抵接炮孔位置处的岩壁，且在钻孔过程中，随着套杆3的滑动，滑套34在套杆3上滑动，进而时波纹密封套35折叠，进而使收纳槽内的膨胀气垫33裸露出来，以便后续对炮孔内排水。

参照图2、4，钻杆4包括第一杆体41和第二杆体42，第一杆体41和第二杆体42均转动设置在套杆3内，钻头5固定设置在第二杆体42远离第一杆体41的一端， 第一杆体41靠近第二杆体42的一端沿第一杆体41的长度方向开设有第一导向槽，第二杆体42靠近第一杆体41的一端固定设置有导向杆421，导向杆421滑动穿设在第一导向槽内，导向杆421的侧壁固定设置有导向块422，第一导向槽的侧壁沿第一杆体41的长度方向开设有第二导向槽，导向块422滑动设置在第二导向槽内，第一杆体41远离第二杆体42的端部沿第一杆体41的长度方向开设有通孔411，通孔411与第一导向槽连通，导向杆421远离第二杆体42的一端固定设置有防脱块423，防脱块423滑动设置在通孔411内。

参照图2、4，第一杆体41上设置有用于驱使第二杆体42向远离第一杆体41方向滑动的第一弹性件412，第一弹性件412包括第一压簧，第一压簧套设在导向杆421上，第一压簧的两端分别与第一杆体41和第二杆体42固定连接；钻头5的钻孔速度与岩层的坚硬程度负相关，在钻孔过程中，当遇到岩层比较坚硬时，随着套杆3的滑动，第二杆体42向靠近第一杆体41方向滑动一定距离，钻头5在第一压簧的弹力作用下抵紧岩壁，从而起到一定的缓冲效果，从而有效避免套杆3的进给速度过快，并超过钻头5的钻孔速度，导致钻头5磨损严重。

参照图5，套杆3上设置有用于驱使第一杆体41转动的第一驱动源37，第一驱动源37包括第一电机，第一电机固定设置在套杆3的侧壁上，第一电机的输出轴上同轴固定设置有驱动齿轮371，第一杆体41上同轴固定设置有从动齿轮413，驱动齿轮371与从动齿轮413啮合。

参照图2、5，通孔411内滑动穿设有激振杆414，激振杆414的截面呈圆形，且与第一杆体41转动配合，套杆3的后端固定设置有固定架38，固定架38上设置有用于驱使激振杆414滑动的驱动机构，驱动机构包括壳体6、第二弹性件61、凸轮62、拨块63和第二驱动源64，壳体6固定设置在固定架38上，壳体6内设置有氮气室65，激振杆414远离第二杆体42的一端穿设于壳体6内，且延伸至氮气室65内，拨块63固定设置在激振杆414的侧壁上，壳体6内开设有用于供拨块63滑动的滑槽，第二弹性件61包括第二压簧，第二压簧套设在激振杆414上，第二压簧的一端与拨块63抵接，第二压簧的另一端与滑槽远离套杆3的侧壁抵接。

参照图5，壳体6内设置有与滑槽连通的安装腔，凸轮62转动设置在安装腔内，第二驱动源64包括第二电机，第二电机固定设置在壳体6内，第二电机的输出轴与凸轮62固定连接；当遇到比较坚硬的岩层时，第二杆体42向靠近第一杆体41方向移动一段距离后，此时，通过第二电机驱使凸轮62转动，当凸轮62转动一定角度后，凸轮62与拨块63抵接，并驱使激振杆414向远离第二杆体42方向滑动，此时，激振杆414压缩氮气室65内的氮气，同时，第二压簧受到压缩，当凸轮62与拨块63脱离后，激振杆414在氮气室65内氮气的冲击力以及第二压簧的弹力作用下向靠近第二杆体42方向滑动，并撞击防脱块423，带动钻头5对岩层起到一定的冲击力，进而使钻头5周围坚硬的岩层破碎，从而提高钻孔效率。

参照图6，钻头5可拆卸设置在第二杆体42上，第二杆体42上设置有用于固定钻头5的固定机构，将钻头5可拆卸设置在第二杆体42上，便于对钻头5进行维修或更换，提高实用性。

参照图6、7，固定机构包括安装杆424、插块425和传动组件，安装杆424固定设置在第二杆体42远离第一杆体41的端部，钻头5的端部沿钻头5的轴向开设有安装槽51，安装槽51与安装杆424相适配，安装杆424的侧壁开设有容置槽4241，插块425沿垂直安装杆424的轴向滑动设置在容置槽4241内，插块425的侧壁固定设置有限位块，容置槽4241的侧壁沿插块425的滑动方向开设有限位槽，限位块滑动设置在限位槽内，安装槽51的侧壁开设有用于供插块425插入的卡槽52。

参照图6、7，传动组件包括第三弹性件4242、顶杆426和限位件，第三弹性件4242包括第三压簧，第三压簧设置在限位槽内，第三压簧的一端与限位块抵接，第三压簧的另一端与限位槽远离安装杆424的侧壁抵接，第二杆体42内沿第二杆体42的长度方向开设有与容置槽4241连通的腔体427，顶杆426滑动穿设在腔体427内，顶杆426远离第二杆体42的端部设置有引导斜面，引导斜面的直径沿远离第二杆体42的方向逐渐减小，且引导斜面与插块425抵接。

参照图6，限位件包括螺套428，第二杆体42的侧壁开设有与螺套428相适配的外螺纹，螺套428套设在第二杆体42上且与第二杆体42螺纹配合，螺套428上同轴转动设置有安装环4281，第二杆体42的侧壁沿第二杆体42的长度方向开设有与腔体427连通的连接口，顶杆426的侧壁固定设置有连接块4282，连接块4282滑动穿设在连接口内且与安装环4281固定连接。

钻头5通过安装槽51套设在安装杆424上，当安装杆424插入安装槽51后，插块425与安装槽51内的卡槽52正对，之后转动螺套428，螺套428在第二杆体42上沿第二杆体42的轴向滑动，进而带动顶杆426在腔体427内向靠近钻头5方向滑动，通过引导斜面推动插块425向远离安装杆424方向滑动，进而带动插块425插入卡槽52内，对钻头5进行限位，从而将钻头5固定在第二杆体42上，当顶杆426向远离钻头5方向滑动时，插块425在第三压簧的弹力作用下向靠近安装杆424方向滑动，进而使插块425从卡槽52内脱离，即可将钻头5从第二杆体42上取下来。

本申请实施例一种瓦斯突出隧道施工用异形切槽爆破钻孔装置的实施原理为：本申请通过机械臂2将钻头5移动到指定位置，并调整好钻孔角度，之后通过第一驱动源37驱使钻杆4转动，并带动钻头5转动，再通过驱动件26驱使套杆3滑动，进而在爆破面上进行钻孔，与此同时，通过水泵13将水箱12内的水导入导水管14，之后依次通过导水管14和通水孔31，最后由喷头32喷出，对钻头5进行降温；在钻孔过程中，沿斜向上或水平方向开设的炮孔内的水会裹挟泥沙从炮孔内流出，而沿斜向下方向开设的炮孔内的水和泥沙则会积蓄在炮孔内。

当钻孔完成后，通过空压机15和导流管16向膨胀气垫33内充气，随着向膨胀气垫33内充气，膨胀气垫33发生膨胀并填充炮孔内的间隙，进而将炮孔内的大部分水以及少部分的泥沙挤出，而炮孔内的大部分泥沙则会粘附在炮孔的内壁或是膨胀气垫33上，之后，再将膨胀气垫33内的气体抽离，再驱使钻头5退出炮孔，钻头5在退出炮孔的过程中，钻头5和膨胀气垫33会将炮孔内的大部分沙土带出，进而完成对炮孔内大部分水和淤泥的清理，在对炮孔内的水和沙土进行清理的时候方便快捷。

本申请实施例还公开一种瓦斯突出隧道施工用异形切槽爆破钻孔装置的工作方法，包括以下步骤：

S1、钻孔，通过机械臂2将钻头5移动到指定位置，并调整好钻孔角度，之后通过第一驱动源37驱使钻杆4转动，并带动钻头5转动，再通过驱动件26驱使套杆3滑动，进而在爆破面上进行钻孔，与此同时，通过水泵13将水箱12内的水导入导水管14，之后依次通过导水管14和通水孔31，最后由喷头32喷出，对钻头5进行降温；

S2、排水，当钻孔完成后，通过空压机15和导流管16向膨胀气垫33内充气，随着向膨胀气垫33内充气，膨胀气垫33发生膨胀并填充炮孔内的间隙，进而将炮孔内的大部分水以及少部分的泥沙挤出，而炮孔内的大部分泥沙则会粘附在炮孔的内壁或是膨胀气垫33上；

S3、排沙，之后，再将膨胀气垫33内的气体抽离，再驱使钻头5退出炮孔，钻头5在退出炮孔的过程中，钻头5和膨胀气垫33会将炮孔内的大部分沙土带出，进而完成对炮孔内大部分水和淤泥的清理。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。