本發(fā)明涉及一種鑿巖一體機(jī)，尤其是一種基于高壓泡沫介質(zhì)的鉆漲鑿巖一體機(jī)，屬于鑿巖機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

國(guó)家“十三五”規(guī)劃提出，要提高非化石能源比重，推動(dòng)煤炭等化石能源清潔高效利用，深部煤炭資源安全開(kāi)發(fā)、西部煤炭資源綠色開(kāi)發(fā)、煤炭清潔高效利用等基礎(chǔ)理論研究與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)需取得突破；安全技術(shù)裝備水平大幅提升，煤礦隱蔽致災(zāi)因素探查取得進(jìn)展。而在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，采掘比例失調(diào)一直是影響我國(guó)煤礦高產(chǎn)高效的主要因素，隨著我國(guó)地下空間開(kāi)發(fā)與資源開(kāi)采不斷走向深部，掘進(jìn)工作面巖石硬度不斷增大，巖爆的頻度和強(qiáng)度均明顯增加，安全問(wèn)題也日益突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅國(guó)有重點(diǎn)煤礦每年硬巖(f>10)巷道掘進(jìn)工程量在2000km以上，近年來(lái)硬巖巷道掘進(jìn)占比不斷增大，已達(dá)到1:3.1左右，因此，如何實(shí)現(xiàn)硬巖(f>10)掘進(jìn)工作面安全高效施工已成為亟待解決的問(wèn)題和難題。綜掘法是一種先進(jìn)的巖巷掘進(jìn)技術(shù)，但在硬巖掘進(jìn)過(guò)程中單位比能耗過(guò)大，鉆頭損耗嚴(yán)重，機(jī)器可靠性和適應(yīng)性較差，不適用于硬巖巷道的開(kāi)拓。目前，硬巖巷道掘進(jìn)的主要采用鉆爆法，利用炸藥實(shí)現(xiàn)瞬間爆破，其破巖、排矸和支護(hù)等工藝需要各自的專(zhuān)用設(shè)備，受作業(yè)空間和作業(yè)面的限制，難以實(shí)現(xiàn)同時(shí)和連續(xù)性的掘進(jìn)，且圍巖破壞嚴(yán)重，機(jī)械化程度低，嚴(yán)重影響了安全、高效生產(chǎn)的目的，同時(shí)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，粉塵、設(shè)備施工噪音影響作業(yè)人員身體健康。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)中存在的不足，提供一種具有集鑿巖、漲裂于一身、省時(shí)省力、高效安全的基于高壓泡沫介質(zhì)的鉆漲鑿巖一體機(jī)。

技術(shù)方案：本發(fā)明的基于高壓泡沫介質(zhì)的鉆漲鑿巖一體機(jī)，包括動(dòng)力裝置、鉆桿、鉆頭、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和沖擊活塞，所述的鉆桿內(nèi)部開(kāi)有連通鉆頭的中心孔，鉆桿上設(shè)有高壓泡沫輸送裝置，高壓泡沫輸送裝置的后部設(shè)置齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和沖擊活塞，高壓泡沫輸送裝置的前部卡裝有封孔裝置；

所述的高壓泡沫輸送裝置包括沖擊鉆桿左、右殼體、連接在沖擊鉆桿左、右殼體之間構(gòu)成高壓泡沫輸送腔室的連接管，連接管內(nèi)設(shè)有套裝在鉆桿上的高壓泡沫輸送活塞，所述沖擊鉆桿左、右殼體上分別設(shè)有沖擊鉆桿左、右殼體流道，所述沖擊鉆桿左、右殼體流道出口連通有高壓泡沫生成與輸送系統(tǒng)，所述臨近右殼體一側(cè)的鉆桿上開(kāi)有高壓泡沫輸送預(yù)留孔；

所述的高壓泡沫生成與輸送系統(tǒng)包括經(jīng)泡沫輸送管路依次連接的單向閥、增壓器、混合器、氣體泵、和電磁換向閥，所述的混合器上設(shè)有液體泵；

所述的封孔裝置包括間隔緊固在鉆桿上的兩個(gè)對(duì)半圓柱形的左卡扣和右卡扣，左卡扣和右卡扣與鉆桿之間套裝有鋼絲膨脹膠管，左卡扣和右卡扣之間的鉆桿上開(kāi)有多個(gè)與鉆桿內(nèi)孔相通的密封預(yù)留孔。

所述的高壓泡沫輸送活塞的外徑上設(shè)有與連接管內(nèi)壁相密封的高壓泡沫輸送活塞軸密封圈，內(nèi)徑上設(shè)有與鉆桿相密封的高壓泡沫輸送活塞孔密封圈。

所述的高壓泡沫輸送預(yù)留孔為2-4個(gè)，呈環(huán)形排列。

所述的密封預(yù)留孔為多組，間隔布置，每組2-4個(gè)孔，呈環(huán)形排列。

一種上述基于高壓泡沫介質(zhì)的鉆漲鑿巖一體機(jī)的鉆漲鑿巖方法，包括如下步驟：

a.鉆漲鑿巖時(shí)，開(kāi)啟由動(dòng)力裝置，動(dòng)力裝置帶動(dòng)沖擊活塞高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使沖擊活塞撞擊鉆桿實(shí)現(xiàn)鉆桿的沖擊運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的小齒輪傳動(dòng)大齒輪并帶動(dòng)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)大齒輪與鉆桿通過(guò)花鍵配合連接，實(shí)現(xiàn)鉆桿3的回轉(zhuǎn)過(guò)程，在沖擊與回轉(zhuǎn)聯(lián)合作用下，鉆漲鑿巖一體機(jī)對(duì)巖體進(jìn)行打孔；

b.在完成鉆孔后，通過(guò)氣體泵與液體泵分別輸送氣體和液體至混合器中混合，并通過(guò)增壓器增壓后生成用于漲裂巖石的高壓泡沫；

c.電磁換向閥開(kāi)啟，氣體泵將氣體沿左殼體流道輸送至高壓泡沫輸送腔室的左側(cè)腔室內(nèi)，推動(dòng)高壓泡沫活塞向右移動(dòng)，待高壓泡沫活塞移動(dòng)至高壓泡沫輸送腔室右側(cè)后，電磁換向閥關(guān)閉；

d.高壓泡沫經(jīng)輸送管路輸送至右殼體流道中，進(jìn)入高壓泡沫輸送腔室，高壓泡沫輸送活塞在高壓泡沫的作用下向左移動(dòng)，高壓泡沫從鉆桿的高壓泡沫輸送預(yù)留孔進(jìn)入鉆桿的中心孔，沿鉆桿的中心孔向鉆頭部運(yùn)動(dòng)，高壓泡沫在鉆桿中心孔的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，一部分高壓泡沫從密封預(yù)留孔中流出，對(duì)封孔裝置的鋼絲膨脹膠管形成擠壓作用，受壓的鋼絲膨脹膠管膨脹后緊貼鉆孔孔壁，達(dá)到密封效果，另一部分高壓泡沫從鉆頭的頭部孔隙流入孔底；

e.持續(xù)注入高壓泡沫，使高壓泡沫聚集于孔底形成高壓封閉區(qū)域，巖體在高壓泡沫作用下被漲裂；巖石漲裂后，高壓泡沫輸送腔室的右側(cè)從高壓區(qū)變?yōu)榈蛪簠^(qū)，此時(shí)高壓泡沫輸送腔室左側(cè)由低壓區(qū)變?yōu)楦邏簠^(qū)，推動(dòng)高壓泡沫活塞至初始位置，一次漲裂周期結(jié)束。

所述氣體泵和液體泵分別輸送不同的氣體和液體，不同的氣體和液體的比為3:1。

有益效果：由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的基于高壓泡沫介質(zhì)的鉆漲鑿巖一體機(jī)，具有集鑿巖、漲裂于一身，利用鑿巖機(jī)開(kāi)孔形成自由面，通過(guò)高壓泡沫壓裂作用使巖石內(nèi)部裂隙擴(kuò)展和降低巖石力學(xué)性能并破碎巖石，不僅具有提高硬巖巷道的開(kāi)拓效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，而且具有高了工作環(huán)境的安全性等特點(diǎn)。可實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)鑿巖機(jī)鉆漲連續(xù)作業(yè)，極大縮短了鉆進(jìn)鑿巖機(jī)鉆孔、封孔與漲裂作業(yè)時(shí)間，有效提高了鉆進(jìn)鑿巖機(jī)的作業(yè)效率，提高了硬巖巷道的開(kāi)拓效率與工作環(huán)境的安全性，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，使用效果好，具有廣泛的實(shí)用性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中高壓泡沫輸送腔室的半剖視圖；

圖3是本發(fā)明中高壓泡沫輸送活塞密封結(jié)構(gòu)的局部放大視圖；

圖4是本發(fā)明中封孔裝置的半剖視圖。

圖中：1-動(dòng)力裝置；2-沖擊鉆桿左殼體；2-1-左殼體流道；3-鉆桿；3-1-高壓泡沫輸送預(yù)留孔；3-2-密封預(yù)留孔；4-高壓泡沫輸送腔室；5-高壓泡沫輸送活塞；5-1-高壓泡沫輸送活塞軸密封圈；5-2-高壓泡沫輸送活塞孔密封圈；6-沖擊鉆桿右殼體；6-1-右殼體流道；7-封孔裝置；7-1-左卡扣；7-2-鋼絲膨脹膠管；7-3-封右卡扣；7-4-卡扣配合螺栓口；7-5-鉆頭尾部密封卡扣端部密封圈；8-鉆頭；9-氣體泵；10-液體泵；11-混合器；12-增壓器；13-單向閥；14-高壓泡沫輸送管路；15-高強(qiáng)螺栓；16-電磁換向閥；17-電機(jī)；18-電機(jī)輸出軸；19-傳動(dòng)小齒輪；20-傳動(dòng)大齒輪；21-沖擊活塞。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖中的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：

如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明的基于高壓泡沫介質(zhì)的鉆漲鑿巖一體機(jī)，包括動(dòng)力裝置1、鉆桿3、鉆頭8、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和沖擊活塞21，鉆桿3內(nèi)部開(kāi)有連通鉆頭8的中心孔，鉆桿3上設(shè)有高壓泡沫輸送裝置，高壓泡沫輸送裝置的后部設(shè)置齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和沖擊活塞21，封孔裝置7卡裝在高壓泡沫輸送裝置的前部。

所述的動(dòng)力裝置1包括液壓泵、缸體、換向閥，與沖擊活塞21通過(guò)活塞前導(dǎo)套連接，推動(dòng)沖擊活塞21實(shí)現(xiàn)高速往復(fù)沖擊作用。

所述的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)17、電機(jī)輸出軸18、設(shè)在電機(jī)輸出軸18上的傳動(dòng)小齒輪19和與傳動(dòng)小齒輪19相嚙合的傳動(dòng)大齒輪20，傳動(dòng)大齒輪20固定在鉆桿3上。

所述鉆桿3在沖擊活塞21與電機(jī)軸18帶動(dòng)的傳動(dòng)小齒輪19與傳動(dòng)大齒輪20嚙合傳動(dòng)聯(lián)合作用下，沖擊活塞21在動(dòng)力裝置1作用下實(shí)現(xiàn)高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)鉆桿實(shí)現(xiàn)沖擊作用，電機(jī)17帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，大齒輪19與鉆桿通過(guò)花鍵配合，大齒輪19旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鉆桿3實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)進(jìn)行高壓泡沫漲裂工作面的巖石進(jìn)行沖擊鉆孔，形成高壓泡沫漲裂預(yù)鉆孔。

所述的高壓泡沫生成與輸送系統(tǒng)包括經(jīng)泡沫輸送管路14依次連接的單向閥13、增壓器12、混合器11、氣體泵9、和電磁換向閥16，所述的混合器11上設(shè)有液體泵10；通過(guò)調(diào)節(jié)氣體泵9與液體泵10的輸送流量，實(shí)現(xiàn)不同比例的氣液混合。在氣體泵輸送管路、液體泵輸送管路、增壓器管路和高壓泡沫輸送管路至左、右殼體流道2-1、6-1均設(shè)有單向閥。氣體泵9分別與混合器11、左殼體流道2-1通過(guò)管路連接，液體泵10與混合器11連接，當(dāng)氣體泵9與液體泵10分別輸送氣體、液體至混合器11，混合后的泡沫通過(guò)增壓器12增壓后，輸送至右殼體流道6-1中。

所述的高壓泡沫輸送裝置包括沖擊鉆桿左、右殼體2、6、連接在沖擊鉆桿左、右殼體2、6之間構(gòu)成高壓泡沫輸送腔室4的連接管，連接管內(nèi)設(shè)有套裝在鉆桿3上的高壓泡沫輸送活塞5，所述的高壓泡沫輸送活塞5的外徑上設(shè)有與連接管內(nèi)壁相密封的高壓泡沫輸送活塞軸密封圈5-1，內(nèi)徑上設(shè)有與鉆桿3相密封的高壓泡沫輸送活塞孔密封圈5-2。所述沖擊鉆桿左、右殼體2、6上分別設(shè)有沖擊鉆桿左、右殼體流道2-1、6-1，所述沖擊鉆桿左、右殼體流道2-1、6-1出口連通有高壓泡沫生成與輸送系統(tǒng)，所述臨近右殼體一側(cè)的鉆桿3上開(kāi)有高壓泡沫輸送預(yù)留孔3-1，高壓泡沫輸送預(yù)留孔3-1為2-4個(gè)，呈環(huán)形排列。；高壓泡沫輸送腔室4的連接管通過(guò)高強(qiáng)螺栓15與沖擊鉆桿左殼體2和沖擊鉆桿右殼體6連接，沖擊鉆桿右殼體在螺栓15的作用下緊貼鉆桿3左側(cè)加工凸臺(tái)。

如圖4所示，所述的封孔裝置7包括間隔緊固在鉆桿3上的用于鉆孔底部密封的兩個(gè)對(duì)半圓柱形的左卡扣7-1和右卡扣7-3，兩個(gè)對(duì)半圓柱形的左卡扣7-1和右卡扣7-3上分別設(shè)有卡扣配合螺栓口7-4，左卡扣7-1和右卡扣7-3頂靠鉆桿3凹槽的兩端分別設(shè)有鉆頭尾部密封卡扣端部密封圈7-5，左卡扣7-1和右卡扣7-3與鉆桿3之間套裝有鋼絲膨脹膠管7-2，左卡扣7-1和右卡扣7-3之間的鉆桿3上開(kāi)有多個(gè)與鉆桿3內(nèi)孔相通的密封預(yù)留孔3-2，密封預(yù)留孔3-2為多組，間隔布置，每組2-4個(gè)孔，呈環(huán)形排列。

本發(fā)明的基于高壓泡沫介質(zhì)的鉆漲鑿巖方法，具體步驟如下：

a.鉆漲鑿巖時(shí)，開(kāi)啟由動(dòng)力裝置1，動(dòng)力裝置1帶動(dòng)沖擊活塞21在沖擊頻率≥36Hz條件下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使沖擊活塞21撞擊鉆桿3實(shí)現(xiàn)鉆桿的沖擊運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，電機(jī)17帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的小齒輪19傳動(dòng)大齒輪20并帶動(dòng)鉆桿3轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)大齒輪20與鉆桿3通過(guò)花鍵配合連接，實(shí)現(xiàn)鉆桿3的回轉(zhuǎn)過(guò)程，在沖擊與回轉(zhuǎn)聯(lián)合作用下，鉆漲鑿巖一體機(jī)對(duì)巖體進(jìn)行打孔；

b.在完成鉆孔后，通過(guò)氣體泵9與液體泵10分別輸送氣體和液體至混合器11中混合，并通過(guò)增壓器12增壓后生成用于漲裂巖石的高壓泡沫；氣體泵9和液體泵10分別輸送氣液比為3:1氣體和液體，氣體和液體分別經(jīng)過(guò)單向閥13輸送至混合器11，輸送的氣體和液體在混合器11的作用下生成低壓泡沫，產(chǎn)生的低壓泡沫通過(guò)增壓器12增壓后，經(jīng)右殼體6的流道口6-1流入高壓泡沫輸送腔室4中。所述氣液比例是影響泡沫粘度的主要因素，氣體與液體比例＜1時(shí)，泡沫具有的粘度較低，比例＞1時(shí)，泡沫粘度隨著氣體注入量的增加而增加；通常取氣體液體比例為3:1

c.電磁換向閥16開(kāi)啟，氣體泵9將氣體沿左殼體流道2-1輸送至高壓泡沫輸送腔室4的左側(cè)腔室內(nèi)，推動(dòng)高壓泡沫活塞5向右移動(dòng)，待高壓泡沫活塞5移動(dòng)至高壓泡沫輸送腔室4右側(cè)后，電磁換向閥16關(guān)閉；

d.高壓泡沫經(jīng)輸送管路14輸送至右殼體流道6-1中，通過(guò)流道口6-1進(jìn)入高壓泡沫輸送腔室4中，高壓泡沫作用于高壓泡沫輸送活塞5的右端面，推動(dòng)高壓泡沫輸送活塞5向左移動(dòng)，高壓泡沫活塞5在向左移動(dòng)的過(guò)程中，高壓泡沫從鉆桿3的高壓泡沫輸送預(yù)留孔3-1進(jìn)入鉆桿的中心孔，沿鉆桿的中心孔向鉆頭部8運(yùn)動(dòng)，高壓泡沫在鉆桿3中心孔的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，一部分高壓泡沫從密封預(yù)留孔3-2中流出，對(duì)封孔裝置7的鋼絲膨脹膠管7-2形成擠壓作用，受壓的鋼絲膨脹膠管7-2膨脹后緊貼鉆孔孔壁，起到密封作用，另一部分高壓泡沫從鉆頭8的頭部孔隙流入孔底；封孔裝置7通過(guò)兩對(duì)半圓柱形左卡扣7-1和右卡扣7-3將鋼絲膨脹膠管7-2緊固在鉆桿3上，鋼絲膨脹膠管可在失效后更換。

e.持續(xù)注入高壓泡沫，高壓泡沫沿鉆桿3通孔輸送至鉆頭8預(yù)鉆孔底用于漲裂巖石，使高壓泡沫聚集于孔底形成高壓封閉區(qū)域，巖體在高壓泡沫作用下被漲裂；巖石漲裂后，高壓泡沫輸送腔室4的右側(cè)從高壓區(qū)變?yōu)榈蛪簠^(qū)，此時(shí)高壓泡沫輸送腔室4左側(cè)由低壓區(qū)變?yōu)楦邏簠^(qū)，推動(dòng)高壓泡沫活塞5至初始位置，一次漲裂周期結(jié)束，實(shí)現(xiàn)高壓泡沫壓裂的連續(xù)性。