CN103670420B - 全断面竖井钻机 - Google Patents

Abstract

本发明属于矿产机械技术领域，包括设备主梁、设备平台、井架、掘进系统、人员及物料输送系统、井壁支护系统和保障系统，以及操控室，在设备主梁前端安装有掘进系统，在设备主梁后端安装有多个设备平台，在井口上安装有井架，井架上设有操控室，人员及物料输送系统和保障系统安装在掘进系统后部，井壁支护系统安装在掘进系统后部以及四周，人员及物料输送系统包含提升机、一级分离站、储渣仓、二级分离站、喂料机构和输送泵，井壁支护系统所含辅助吊车、提升机、井下混凝土搅拌罐和混凝土泵以及锚固系统，均安装在设备平台上。本发明解决了煤矿等大型竖井的施工问题，实现竖井掘进、出渣、支护、排水、通风等一系列功能的自动化、机械化、集成化的成套设备，提高施工效率，降低施工高成本，增加施工安全性，应用范围广。

Description

全断面竖井钻机

技术领域

本发明属于矿产机械技术领域，特别是涉及一种全断面竖井钻机。

背景技术

现有竖井开凿方式历经长期的发展，主要凿井方式有钻爆法、钻井法，施工工艺已经成熟。竖井开凿设备也经历同样的发展历程，设备技术已经成熟，但均未实现大的突破，依然沿用传统的施工方式，并且凿井设备难以实现自动化，平行施工困难，凿井效率低，人员劳动强度大。我国现有的竖井开凿设备技术经多次改进已经发展成熟，但是仅仅通过提高单一设备的施工效率也已经难以提高竖井开凿速度。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服上述现有技术的不足，而提供一种自动化、机械化程度高，使竖井施工更加快速、安全，可以完成大直径、大深度的竖井施工，并且施工成本较低的全断面竖井钻机。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种全断面竖井钻机，包括设备主梁、设备平台、井架、掘进系统、人员及物料输送系统、井壁支护系统和保障系统，以及操控室，在设备主梁前端安装有掘进系统，在设备主梁后端安装有多个设备平台，在井口上安装有井架，井架上设有操控室，人员及物料输送系统和保障系统安装在掘进系统后部，井壁支护系统安装在掘进系统后部以及四周，所述人员及物料输送系统包含提升机、一级分离站、储渣仓、二级分离站、喂料机构和输送泵，所述井壁支护系统所含辅助吊车、提升机、井下混凝土搅拌罐和混凝土泵以及锚固系统，均安装在设备平台上。

所述掘进系统包括背装式刀具结构的刀盘、主驱动、推进油缸、撑靴、撑靴定环和撑靴油缸，所述推进油缸有多个，且对称安装在主驱动四周，推进油缸的一端铰接在设备主梁上，另一端铰接在主驱动上。

所述人员及物料输送系统包括泥浆泵、排浆管、一级分离站、储渣仓、快速上料装置、吊桶、提升机、稳车、溜渣槽、二级分离站、回浆管、喂料机构、输送泵、出浆管和进浆管，泥浆泵安装在刀盘内刀具后侧，排浆管进浆口与泥浆泵连接，其出浆口对应设置有一级分离站，一级分离站出渣口对应设置有储渣仓，其出浆口对应设置有二级分离站，二级分离站出浆口连通有回浆管，回浆管的出口端设置在撑靴定环上，二级分离站出渣口对应设置有喂料机构，喂料机构出口连接有输送泵，输送泵上连接有出浆管，出浆管的出口设置在井口处，连接有泥浆处理设备，进浆管的进口在井口处，连接有制浆池，其出口端设置在撑靴定环上，提升机和稳车安装在井口，提升机绳索绕过井架上的滑轮连接在吊桶上，溜渣槽倾斜安装在井架上。

所述井壁支护系统包括模筑系统和喷锚系统，其中模筑系统包括辅助吊车、提升机、模板、混凝土输送管、缓冲器、井下混凝土搅拌罐、混凝土泵、注浆管和混凝土挤压环以及挤压油缸，模板、混凝土挤压环及井壁形成封闭空间，挤压油缸一端铰接在撑靴定环后部，另一端固定在混凝土挤压环上，喷锚系统包括混凝土泵、钻机小车、钻机油缸和多功能钻机，钻机小车通过钻机油缸吊装在掘进系统后部的设备平台上，钻机小车上铰接安装有多功能钻机。

所述保障系统包括电力及控制模块、通风及通水模块和管道延伸模块，其中电力及控制模块包括主控室、油脂泵、电器柜、变压器、空压机、泵站、电缆及电缆卷筒，所述通风及通水模块包括风机、进风管、出风管和净水管，所述管道延伸模块包括出浆管伸缩管、进浆管伸缩管、混凝土伸缩管、延伸管道及管道阀门。

所述掘进系统还包括十字轴和调向节，十字轴安装在主驱动上，与主驱动、刀盘连为一体，调向节一端转动安装在十字轴上，另一端与推进油缸连接，同时调向节中间结构为双作用油缸，该双作用油缸杆两端与撑靴定环滑动连接。以限定调向节的运动轨迹，推进油缸将推进力作用于调向节，撑靴定环固定调向节的运动轨迹，使之向下运动，调向节又将推进力传递到十字轴，进而传递到主驱动、刀盘，通过控制推进油缸的伸缩与调向节双作用油缸的伸缩实际控制刀盘的360°转向。

所述撑靴为有多个，且形成环形结构，每个撑靴通过滑键连接到主驱动上。

所述模板为多组独立模板构成。

所述混凝土挤压环为分体结构，包括主环、堵头环和螺母，堵头环上焊接有螺杆，螺杆穿过主环上的螺杆孔，并在螺杆的末端通过螺母连接固定。

所述井壁支护系统还包括超前注浆系统和混凝土添加剂加注装置，该超前注浆系统包括多功能钻机和注浆泵。

本发明技术方案的有益效果是：

1、在结构上，本发明全断面竖井钻机包括设备主梁、设备平台、井架、掘进系统、人员及物料输送系统、井壁支护系统和保障系统以及操控室，采用全新的竖井开凿的新方式，主要用于各种竖井的开凿，实现竖井全断面高效施工；本发明是集掘进、出渣、支护、排水、通风、超前探测等功能于一体的集成化成套设备，实现竖井开凿、支护、出渣等平行作业，机械自动化程度高，同时提高竖井施工效率，缩短竖井建井周期，大大节约了建井成本，减少矿场前期投入。

2、在结构上，本发明所述掘进系统主要有刀盘、主驱动、推进油缸、撑靴、撑靴油缸组成，实现竖井全断面掘进；掘进系统还包括十字轴和调向节时调向节中间结构为双作用油缸，该双作用油缸杆两端与撑靴定环滑动连接，以限定调向节的运动轨迹，推进油缸将推进力作用于调向节，撑靴定环固定调向节的运动轨迹，使之向下运动，调向节又将推进力传递到十字轴，进而传递到主驱动、刀盘，通过控制推进油缸的伸缩与调向节双作用油缸的伸缩实际控制刀盘的360°转向，能够实现竖井的全断面开凿，操作使用方便。

3、在结构上，本发明人员及物料的输送主要有绞车、吊桶、泥浆管、渣浆泵、泥浆处理站等组成，实现井上、井下人员、渣土、钢材等物料的运输；人员及施工物料通过一套人员提升机及人员吊罐完成，其渣土的输送分两步完成，首先泥浆泵将携带渣土的泥浆经排浆管送至一级分离站，经过分离大颗粒渣土进入储渣仓，通过储渣仓底部快速上料装置将渣土装入吊桶，通过提升机输送至井口，由溜渣槽装入渣车运输到指定位置；小颗粒渣土及泥浆进入二级分离站，经过处理后将小颗粒渣土与泥浆分离，泥浆则通过回浆管回流至工作面，进行循环利用，小颗粒渣土则进入喂料机构，由输送泵通过出浆管将泥浆泵送至地面；地面优质泥浆通过进浆管输送到井下；以上各系统配合使用完成井上、井下人员、物料、渣土、泥浆的输送；整个输送系统整体结构设计合理，人员、物料、渣土、泥浆输送平行作业，提高了工作效率。

4、在结构上，本发明井壁支护系统主要由模板、混凝土输送管、缓冲器、混凝土泵等组成，实现井壁及时浇筑；还可以利用钻机小车、钻机油缸控制多功能钻机进行打锚杆、超前探测及超前注浆作业；因而，井壁支护系统可以进行喷锚、模筑、挤压混凝土、超前注浆多种施工，施工模式切换简单、可靠，可以满足不同地层施工的需要。

5、结构上，本发明保障系统主要有电力设施、控制设施、通风设施及通水设施等组成，保证井下设备工作及人员生命保障的需要，保证设备、人员的正常工作；其中电缆、净水管安装在稳绳上，随设备向下延伸，进风管、回风管安装在井壁上，随井壁的延伸向下铺设，管道延伸设备采用井下延伸，利用出浆管伸缩管、进浆管伸缩管、混凝土伸缩管，当一个伸缩行程完成后，将管路断开，管道缩回，有辅助吊车吊装装一根新的管道进行管道延伸，操作使用简单、方便。

6、此外，本发明竖井钻机还可用于隧道、水电、核电、地下工程等竖井开凿，打开地下施工的通道，实现快速、安全的地下施工，应用范围广，适于推广实施。

7、综上，本发明全断面竖井钻机解决了煤矿等大型竖井的施工问题，实现竖井掘进、出渣、支护、排水、通风等一系列功能的自动化、机械化、集成化的成套设备，提高施工效率，降低施工高成本，增加施工安全性，并且应用范围广，因此，非常适于推广实施。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明全断面竖井钻机的结构示意图；

图2为图1所示全断面竖井钻机的掘进系统的结构示意图；

图3为图1所示全断面竖井钻机的人员及物料输送系统的结构示意图；

图4为图1所示全断面竖井钻机的井壁支护系统的结构示意图；

图5为图1所示全断面竖井钻机的井壁支护系统的工作状态的结构示意图；

图6为图1所示全断面竖井钻机的保障系统的结构示意图；

图7为图4所示全断面竖井钻机的井壁支护系统混凝土挤压环结构示意图；

图8为图7所示全断面竖井钻机的井壁支护系统混凝土挤压环爆炸结构示意图；

图中序号：1、掘进系统，101、刀盘，102、撑靴油缸，103、撑靴，104、主驱动，105、推进油缸，106、调向节，107、十字轴，108、撑靴定环，2、人员及物料输送系统，201、泥浆泵，202、排浆管，203、回浆管，204、输送泵，205、喂料机构，206、二级分离站，207、出浆管，208、吊桶，209、一级分离站，210、储渣仓，211、进浆管，212、人员提升机，213、人员吊罐，214、溜渣槽，215、稳车，216、提升机，3、井壁支护系统，301、混凝土输送管，302、缓冲器，303、混凝土泵，304、注浆管，305、混凝土挤压环，305-1、堵头环，305-2、螺母，305-3、主环，306、挤压油缸，307、多功能钻机，308、钻机小车，309、钻机油缸，310、混凝土搅拌罐，311、模板，312、提升机，313、辅助吊车，314、注浆泵，315、混凝土添加剂加注装置，4、保障系统，401、主控室，402、油脂泵，403、电器柜，404、变压器，405、空压机，406、泵站，407、进风管，408、回风管，409、出浆管伸缩管，410、进浆管伸缩管，411、混凝土伸缩管，412、，电缆，413、净水管，5、设备主梁，6、设备平台，7、风机，8、井架，9、电缆卷筒，10、操控室。

具体实施方式

实施例一：

参见图1至图8，图中，本发明全断面竖井钻机，该设备分为掘进系统1、人员及物料输送系统2、井壁支护系统3、保障系统4四大系统及设备主梁5、设备平台6、风机7、井架8、电缆卷筒9、操控室10等，每个系统由独立的设备构成。

竖井掘进系统主要由刀盘101、撑靴油缸102、撑靴103、主驱动104、推进油缸105、调向节106、十字轴107、撑靴定环108。所述撑靴为有多个，且形成环形结构，每个撑靴通过滑键连接到主驱动上。撑靴油缸102撑紧撑靴103作用于井壁，产生推进油缸105的着力点，推进油缸推105推进主驱动104进而推动刀盘101产生掘进动作，通过控制推进缸105的伸缩控制刀盘101的掘进方向，主驱动104驱动刀盘101进行竖井掘进。该系统可以不受深度、地层等因素的影响，以强大的破岩力及推进力保证设备的掘进速度及掘进方向。

人员及物料运输系统主要由泥浆泵201、排浆管202、回浆管203、输送泵204、喂料机构205、二级分离站206、出浆管207、吊桶208、一级分离站209、储渣仓210、进浆管211、人员提升机212、人员吊罐213、溜渣槽214、稳车215、提升机216等组成。人员及施工物料通过一套人员提升机212及人员吊罐213完成；渣土的输送分两步完成，首先泥浆泵201将携带渣土的泥浆经排浆管202送至一级分离站209，经过分离大颗粒渣土进入储渣仓210，通过底部快速上料装置将渣土装入吊桶208，通过提升机216输送至井口，由溜渣槽214装入渣车运输到指定位置。小颗粒渣土及泥浆进入二级分离站206，经过处理后将小颗粒渣土与泥浆分离，泥浆则通过回浆管203回流至工作面，进行循环利用，小颗粒渣土则进入喂料机构205，由输送泵204通过出浆管207将泥浆泵送至地面；地面优质泥浆通过进浆管211输送到井下；以上各系统配合使用完成井上、井下人员、物料、渣土、泥浆的输送。该系统采用泥浆携渣、干湿分离出渣，渣、物、人分离输送，实现低能耗、高效率出渣。

井壁支护系统主要由混凝土输送管301、缓冲器302、混凝土泵303、注浆管304、混凝土挤压环305、挤压油缸306、多功能钻机307、钻机小车308、钻机油缸309、混凝土搅拌罐310、模板311、提升机312、辅助吊车313、注浆泵314、混凝土添加剂加注装置315等组成。采用井下模筑井壁进行支护，利用辅助吊车313将钢筋等物料输送至工作位置，进行钢筋绑扎，利用提升机312将模板送至立模位置进行立模，混凝土经输送管301、缓冲器302由地面输送至井下混凝土搅拌罐310，再经混凝土泵303、注浆管304注入模板311中进行混凝土浇筑。采用喷锚施工，利用混凝土泵303、混凝土添加剂加注装置315、空压机404等进行锚喷作业。利用模板311、混凝土挤压环305及井壁形成封闭空间，利用混凝土泵303进行注浆，利用挤压油缸306推动混凝土挤压环305压实混凝土完成井壁浇筑。利用钻机小车308、钻机油缸309控制多功能钻机307进行打锚杆、超前探测及超前注浆作业。所述混凝土挤压环为分体结构，包括主环305-3、堵头环305-1和螺母305-2，堵头环上焊接有螺杆，螺杆穿过主环上的螺杆孔，并在螺杆的末端通过螺母连接固定。所述模板为多组独立模板构成。

保障系统主要由主控室401、油脂泵402、电器柜403、变压器404、空压机405、泵站406、进风管407、回风管408、出浆管伸缩管409、进浆管伸缩管410、混凝土伸缩管411、电缆412、净水管413等组成，以保证井下设备及人员的工作需要。电缆412、净水管413安装在稳绳上，随设备向下延伸，进风管407、回风管408安装在井壁上，随井壁的延伸向下铺设，管道延伸设备采用井下延伸，利用出浆管伸缩管409、进浆管伸缩管410、混凝土伸缩管411，当一个伸缩行程完成后，将管路断开，管道缩回，有辅助吊车313吊装装一根新的管道进行管道延伸。

本发明的工作过程如下：

撑靴103撑紧岩壁，启动主驱动104，推进油缸105推进主驱动104及刀盘101向前掘进，切削岩土。

刀盘101切削的渣土融入泥浆，泥浆泵201将携带渣土的泥浆经排浆管202送至一级分离站209，经过分离大颗粒渣土进入储渣仓210，通过底部快速上料装置将渣土装入吊桶208，通过提升机216输送至井口，由溜渣槽214装入渣车运输到指定位置。小颗粒渣土及泥浆进入二级分离站206，经过处理后将小颗粒渣土与泥浆分离，泥浆则通过回浆管203回流至工作面，进行循环利用，小颗粒渣土则进入喂料机构205，由输送泵204通过出浆管207将泥浆泵送至地面；地面优质泥浆通过进浆管211输送到井下。

在设备掘进的同时，采用井下模筑井壁进行支护，利用辅助吊车313将钢筋等物料输送至工作位置，进行钢筋绑扎，利用提升机312将模板送至立模位置进行立模，混凝土经输送管301、缓冲器302由地面输送至井下混凝土搅拌罐310，再经混凝土泵303、注浆管304注入模板311中进行混凝土浇筑。采用喷锚施工，利用混凝土泵303、混凝土添加剂加注装置315、空压机404等进行锚喷作业。利用模板311、混凝土挤压环305及井壁形成封闭空间，利用混凝土泵303进行注浆，利用挤压油缸306推动混凝土挤压环305压实混凝土完成井壁浇筑。

施工过程中，利用钻机小车308、钻机油缸309控制多功能钻机307进行打锚杆、超前探测及超前注浆作业。

随着设备的不断向下掘进，进风管407、回风管408、出浆管伸缩管409、进浆管伸缩管410、混凝土伸缩管411、电缆412、净水管413伸缩行程使用完后，将管道上部阀门关闭，断开管道，将伸缩管缩回，利用辅助吊车313吊起备用管道，进行管道安装，延伸管道，继续进行掘进。从而实现了竖井开凿、衬砌、出渣等施工的平行作业。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种全断面竖井钻机，包括设备主梁、设备平台、井架、掘进系统、人员及物料输送系统、井壁支护系统和保障系统，以及操控室，其特征是：在设备主梁前端安装有掘进系统，在设备主梁后端安装有多个设备平台，在井口上安装有井架，井架上设有操控室，人员及物料输送系统和保障系统安装在掘进系统后部，井壁支护系统安装在掘进系统后部以及四周，所述人员及物料输送系统所含提升机、一级分离站、储渣仓、二级分离站、喂料机构和输送泵，所述井壁支护系统所含辅助吊车、提升机、井下混凝土搅拌罐和混凝土泵以及锚固系统，均安装在设备平台上。

2.根据权利要求1所述的全断面竖井钻机，其特征是：所述掘进系统包括刀具背装式结构的刀盘、主驱动、推进油缸、撑靴、撑靴定环和撑靴油缸，所述推进油缸有多个，且均布在主驱动后部四周，推进油缸的一端铰接在设备主梁上，另一端铰接在主驱动后部。

3.根据权利要求2所述的全断面竖井钻机，其特征是：所述人员及物料输送系统包括泥浆泵、排浆管、一级分离站、储渣仓、快速上料装置、吊桶、提升机、稳车、溜渣槽、二级分离站、回浆管、喂料机构、输送泵、出浆管和进浆管，泥浆泵安装在主驱动中心，且吸浆口穿过刀盘，排浆管进浆口与泥浆泵连接，其出浆口对应设置有一级分离站，一级分离站出渣口对应设置有储渣仓，其出浆口对应设置有二级分离站，二级分离站出浆口连通有回浆管，回浆管的出口端设置在撑靴定环上，二级分离站出渣口对应设置有喂料机构，喂料机构出口连接在输送泵上，输送泵上连接有出浆管，出浆管的出口设置在井口处，连接泥浆处理设备，进浆管的进口在井口处，连接制浆池，其出口端设置在撑靴定环上，提升机和稳车安装在井口，提升机绳索绕过井架上的滑轮连接在吊桶上，溜渣槽安装在井架上。

4.根据权利要求2所述的全断面竖井钻机，其特征是：所述井壁支护系统包括模筑系统和喷锚系统，其中模筑系统包括辅助吊车、提升机、模板、混凝土输送管、缓冲器、井下混凝土搅拌罐、混凝土泵、注浆管和混凝土挤压环以及挤压油缸，模板、混凝土挤压环及井壁形成封闭空间，挤压油缸一端铰接在撑靴定环后部，另一端固定在混凝土挤压环上，喷锚系统包括混凝土泵、钻机小车、钻机油缸和多功能钻机，钻机小车通过钻机油缸吊装在掘进系统后部的设备平台上，钻机小车上铰接安装有多功能钻机。

5.根据权利要求1所述的全断面竖井钻机，其特征是：所述保障系统包括电力及控制模块、通风及通水模块和管道延伸模块，其中电力及控制模块包括主控室、油脂泵、电器柜、变压器、空压机、泵站、电缆及电缆卷筒，所述通风及通水模块包括风机、进风管、出风管和净水管，所述管道延伸模块包括出浆管伸缩管、进浆管伸缩管、混凝土伸缩管、延伸管道及管道阀门。

6.根据权利要求2所述的全断面竖井钻机，其特征是：所述掘进系统还包括十字轴和调向节，十字轴安装在主驱动上，与主驱动、刀盘连为一体，调向节一端转动安装在十字轴上，另一端与推进油缸连接，同时调向节中间结构为双作用油缸，该双作用油缸杆两端与撑靴定环滑动连接。

7.根据权利要求2所述的全断面竖井钻机，其特征是：所述撑靴为有多个，且形成环形结构，每个撑靴通过滑键连接到主驱动上。

8.根据权利要求4所述的全断面竖井钻机，其特征是：所述模板为多组独立模板构成。