一种用于矿井中锚杆施工的高压水射流钻孔设备及其施工方法

摘要

本发明提出了一种用于矿井中锚杆施工的高压水射流钻孔设备及其施工方法，该设备包括工作部和控制部，所述工作部包括外壳以及设于所述外壳内部的喷射器和推进器，所述喷射器用于向目标区域喷射高压水流以实现钻孔，所述推进器与喷射器传动连接，用于驱动所述喷射器前后运动，所述控制部包括水泵微机和高压水泵，所述水泵微机与高压水泵相连，所述高压水泵通过进水管与喷射器相连通。本发明将钻孔与清孔同步化，提高了锚杆施工的效率，且与传统的金属钻头钻孔相比，高压水射流具有钻孔准直度高、钻孔温度低、钻孔稳定性高和安全性高的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及锚杆钻孔技术领域，具体而言，涉及一种用于矿井中锚杆施工的高压水射流钻孔设备及其施工方法。

背景技术

锚杆作为当代矿井中巷道支护的最基本的组成部分，将巷道和围岩加固在一起，限制岩土体脱离原体，增加岩土体的粘聚性，能很好减少矿井事故的发生。现代锚杆施工采用的钻孔方式有人工手持钻孔和全机械化钻孔，钻孔仪器主要有电动钻孔仪、液压钻孔仪和气动钻孔仪等。

在矿井中锚杆的施工过程中，使用金属钻孔器械产生的震动易使岩层与煤层扰动，造成巷道坍塌事故。巨大的钻孔器械也会占用过多巷道空间，阻碍工人的逃生路线。电动钻孔存在用电安全问题，且打孔过程中产生的高温也容易让矿井施工产生火情。传统的锚杆钻孔方式钻孔稳定性不高，在钻孔后需要立刻进行清孔工作和锚固工作，施工时间较为紧凑。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种用于矿井中锚杆施工的高压水射流钻孔设备及其施工方法，降低了矿井施工的危险性以及提高了锚杆施工的质量和效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于矿井中锚杆施工的高压水射流钻孔设备，包括工作部和控制部，所述工作部包括外壳以及设于所述外壳内部的喷射器和推进器，所述喷射器用于向目标区域喷射高压水流以实现钻孔，所述推进器与喷射器传动连接，用于驱动所述喷射器前后运动，所述控制部包括水泵微机和高压水泵，所述水泵微机与高压水泵相连，所述高压水泵通过进水管与喷射器相连通。

作为优选方案，所述喷射器包括喷射器微机、储液室、旋转接头、喷管和喷嘴，所述储液室上下方分别设有上推进轨和下推进轨，所述储液室上下端部分别与所述上推进轨和下推进轨相配合，所述储液室出口端连接有旋转接头，所述旋转接头与喷管一端相连，所述喷管另一端连接有喷嘴，所述喷射器微机设于储液室上，用于控制所述喷嘴的转动角度。

作为优选方案，所述喷射器还包括调节旋钮，所述调节旋钮设于靠近喷嘴一侧的喷管端部，且其与所述喷嘴相配合，用于推动喷嘴进行角度调节。

作为优选方案，所述喷管包括内层和外层，所述内层端部与旋转接头固定连接，所述外层套设于内层外部，且所述外层端部活动连接于储液室上，所述外层设有调节旋钮，当所述调节旋钮与喷嘴卡合时，所述内层和外层同步旋转，当所述调节旋钮与喷嘴松开时，所述内层单独旋转。

作为优选方案，所述推进器包括推进器微机、上推进轨、下推进轨和压力传感器，所述上推进轨和下推进轨分别位于所述喷射器上方和下方，并与所述喷射器相配合，所述压力传感器设于所述上推进轨或下推进轨上，所述推进器微机设于外壳上，用于接收所述压力传感器信号对所述上推进轨和下推进轨进行控制。

作为优选方案，所述储液室上下端部固设有凸齿，所述上推进轨和下推进轨均包括支撑轮和齿轮履带，所述齿轮履带两端套装在两支撑轮上，并与其带轮连接，所述齿轮履带与凸齿啮合连接。

作为优选方案，所述推进器微机内部设有蓄电池，且所述蓄电池外部包裹有防水层。

作为优选方案，所述工作部还包括机械臂和固定底盘，所述固定底盘包括可升降支架和转轮，所述转轮可转动设于可升降支架底端部，所述可升降支架顶端部与机械臂一端部相连，所述机械臂另一端部与所述外壳相连。

本发明还公开了一种如上任一项所述的用于矿井中锚杆施工的高压水射流钻孔设备的施工方法，包括如下步骤：

1)定位锚杆施工位置及固定设备：将工作部移动到合适的地方，调节可升降支架，固定设备，并安装合适孔径的喷嘴；

2)喷嘴定位：调节机械臂，并通过推进器将喷射器推动到目标区域，使得喷射器的喷嘴位置和方向与打孔标记相对应；

3)输入参数：在推进器微机中输入目标钻孔深度和目标钻孔速度；

4)钻孔：在控制部的水泵微机上输入水压数据，控制打开高压水泵并调节到相应水压，水压通过进水管传递到工作部，工作部的喷射器开始钻孔；

5)锚固头施工：到达目标钻孔深度后，控制推进器和高压水泵暂停，同时控制调节旋钮转动到指定角度，使其卡住喷嘴并让喷嘴转动到指定角度；喷嘴转动到指定角度后，控制高压水泵重新开始工作直到锚固头端钻孔完成；

6)设备复位：锚固头端钻孔完成后，控制高压水泵停止，并通过喷射器微机控制调节旋钮转回原位，喷嘴随之回到原位，通过推进器微机控制推进器反向运动，使得喷射器回到初始位置，调整设备并重新输入数据，为下一个锚杆施工做准备。

作为优选方案，在步骤4)中，所述喷射器的工作过程包括：旋转接头在水压驱动下开始旋转，带动喷射器的喷管内层和喷嘴一起转动，推进器中的压力传感器检测到推力后，将压力信号传递给推进器微机，推进器微机控制上推进轨和下推进轨以目标钻孔速度推动喷射器沿钻孔方向前进。

与现有技术相比，本发明提出了一种适用于矿井锚杆施工的高压水射流钻孔设备及其施工方法，将钻孔与清孔同步化，提高了锚杆施工的效率，且与传统的金属钻头钻孔相比，高压水射流具有钻孔准直度高、钻孔温度低、钻孔稳定性高和安全性高的优点；此外，高压水射流在孔底制造了一个孔径略大于上端的空间，有利于锚固剂加入孔内后整体锚固力的提升。本发明消除了传统钻孔由于钻孔温度升高造成危险的可能，降低了传统钻孔由于钻孔震动剧烈引发矿井事故的可能性，降低了传统钻孔的噪音，并且该设备采用的自动化的微机操作也增加了施工的安全性和效率，为矿井锚杆施工提供了一种良好选择。

附图说明

参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：

图1为本发明实施例高压水射流钻孔设备的结构示意图；

图2为本发明实施例喷射器的结构示意图；

图3为本发明实施例推进器的结构示意图；

图4为本发明实施例钻孔的截面示意图；

图5为本发明实施例高压水射流钻孔设备的施工方法中进行喷嘴定位的状态示意图；

图6为本发明实施例高压水射流钻孔设备的施工方法中进行钻孔的状态示意图；

图7为本发明实施例高压水射流钻孔设备的施工方法中进行锚固头施工的状态示意图；

图8为本发明实施例高压水射流钻孔设备的施工方法中进行设备复位的状态示意图；

图9为本发明实施例高压水射流钻孔设备的施工方法中进行设备复位的另一状态示意图。

图中标号：100工作部、200控制部、1喷射器、1-1喷射器微机、1-2储液室、1-3旋转接头、1-4喷管、1-4-1外层、1-4-2内层、1-5喷嘴、1-6调节旋钮、2推进器、2-1推进器微机、2-2下推进轨、2-2-1齿轮履带、2-2-2支撑轮、2-3上推进轨、2-4压力传感器、3机械臂、4固定底盘、4-1可升降支架、4-2转轮、5-1水泵微机、5-2高压水泵、6进水管、7外壳、8漩涡旋转方向、9喷管旋转方向、10水射流、11成形孔、12孔壁、13漩涡、14打孔标记。

具体实施方式

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

根据本发明的一实施方式结合图1示出。一种用于矿井中锚杆施工的高压水射流钻孔设备，包括工作部100和控制部200，工作部100设于锚杆钻孔区域，控制部200设于控制室。工作部100包括外壳7以及设于外壳7内部的喷射器1和推进器2，喷射器1用于向目标区域喷射高压水流以实现钻孔，推进器2与喷射器1传动连接，用于驱动喷射器1前后运动，控制部200包括水泵微机5-1和高压水泵5-2，水泵微机5-1与高压水泵5-2相连，高压水泵5-2通过进水管6与喷射器1相连通。

如图2所示，具体的，喷射器1包括喷射器微机1-1、储液室1-2、旋转接头1-3、喷管1-4和喷嘴1-5，储液室1-2上下方分别设有上推进轨2-3和下推进轨2-2，储液室1-2上下端部分别与上推进轨2-3和下推进轨2-2相配合，储液室1-2出口端连接有旋转接头1-3，旋转接头1-3与喷管1-4一端相连，喷管1-4另一端连接有喷嘴1-5，喷射器微机1-1设于储液室1-2上，用于控制喷嘴1-5的转动角度。喷射器微机1-1内部设有蓄电池，用于提供电能，且蓄电池外部包裹有防水层。

优选的，喷射器1还包括调节旋钮1-6，调节旋钮1-6设于靠近喷嘴1-5一侧的喷管1-4端部，且其与喷嘴1-5相配合，用于推动喷嘴1-5进行角度调节。该调节旋钮1-6为凸轮结构，采用伺服电机驱动，伺服电机接收喷射器微机1-1信号后进行相应角度的调节。

上述喷管1-4包括内层1-4-2和外层1-4-1，内层1-4-2端部与旋转接头1-3固定连接，外层1-4-1套设于内层1-4-2外部，且外层1-4-1端部活动连接于储液室1-2上，外层1-4-1设有调节旋钮1-6，当调节旋钮1-6与喷嘴1-5卡合时，内层1-4-2和外层1-4-1同步旋转，当调节旋钮1-6与喷嘴1-5松开时，内层1-4-2单独旋转。

一具体实施例中，喷嘴1-5通过弹性管与喷管1-4连接，当调节旋钮1-6与喷嘴1-5接触后，喷嘴1-5会在调节旋钮1-6的推动下进行角度调整。

如图3所示，上述推进器2包括推进器微机2-1、上推进轨2-3、下推进轨2-2和压力传感器2-4，上推进轨2-3和下推进轨2-2分别位于喷射器1上方和下方，且上推进轨2-3和下推进轨2-2均与喷射器1的中轴线相平行，上推进轨2-3和下推进轨2-2与喷射器1相配合。压力传感器2-4设于上推进轨2-3或下推进轨2-2上，推进器微机2-1设于外壳7上，用于接收压力传感器2-4信号对上推进轨2-3和下推进轨2-2进行控制。推进器微机2-1内部设有蓄电池，用于提供电能，且蓄电池外部包裹有防水层。

具体的，在储液室1-2上下端部固设有凸齿，上推进轨2-3和下推进轨2-2均包括支撑轮2-2-2和齿轮履带2-2-1，齿轮履带2-2-1两端套装在两支撑轮2-2-2上，并与其带轮连接，齿轮履带2-2-1与凸齿啮合连接。在驱动电机作用下，支撑轮2-2-2转动，带动齿轮履带2-2-1往复运动，从而使得喷射器1前后运动。

进一步的，上述工作部100还包括机械臂3和固定底盘4，固定底盘4包括可升降支架4-1和转轮4-2，转轮4-2可转动设于可升降支架4-1底端部，可升降支架4-1顶端部与机械臂3一端部相连，机械臂3另一端部与外壳7相连。在人工操控下，机械臂3可以进行上下高度调节，固定底盘4可以进行任意方向移动。

如图4至9所示，本发明公开了一种用于矿井中锚杆施工的高压水射流钻孔设备的施工方法，包括如下步骤：

1)定位锚杆施工位置及固定设备：将工作部100移动到合适的地方，调节可升降支架4-1，固定设备，并安装合适孔径的喷嘴1-5。

2)喷嘴定位：调节机械臂3，并通过推进器微机2-1控制上推进轨2-3和下推进轨2-2将喷射器1推动到目标区域，使得喷射器1的喷嘴1-5位置和方向与打孔标记14相对应。该打孔标记14由技术人员实地勘测确定，并使用记号笔打上标记。

3)输入参数：在推进器微机2-1中输入目标钻孔深度和目标钻孔速度，工人离开施工区域。

4)钻孔：在控制部200的水泵微机5-1上输入水压数据，控制打开高压水泵5-2并调节到相应水压，水压通过进水管6传递到工作部100，工作部100的喷射器1开始钻孔。

具体的，在步骤4)中，喷射器1的工作过程包括：旋转接头1-3在水压驱动下开始旋转，带动喷射器1的喷管1-4的内层1-4-2和喷嘴1-5一起转动，此时水射流10对上推进轨2-3和下推进轨2-2有一个与推进方向相反的推力，推进器2中的压力传感器2-4检测到反向推力后，将压力信号传递给推进器微机2-1，推进器微机2-1即刻控制上推进轨2-3和下推进轨2-2以目标打孔速度推动喷射器1沿打孔方向前进。

如图4所示，由于喷管1-4的旋转，水流在孔壁12内形成一个漩涡13，漩涡13中的水不断向孔外旋转涌出，带动打孔产生的废料随着漩涡13中水流的旋转排出孔外，达到了钻孔的同时清孔的目的。图中8为漩涡旋转方向、9为喷管旋转方向，漩涡旋转方向8和喷管旋转方向9一致。

5)锚固头施工：到达目标打孔深度后，通过推进器微机2-1控制上推进轨2-3和下推进轨2-2停止工作并固定，并向水泵微机5-1发出信号，使高压水泵5-2暂停工作。推进器微机2-1向喷射器微机1-1传递改变喷嘴1-5角度的信号，喷射器微机1-1控制调节旋钮1-6转动到指定角度后固定，使其卡住喷嘴1-5并让喷嘴1-5转动到指定角度。喷嘴1-5转动到指定角度后，喷射器微机1-1向水泵微机5-1传输信号，使高压水泵5-2重新开始工作(此时如图7所示)，指定时间后锚固头端钻孔完成。该步骤使孔底出现一个孔径略大的空间(此时如图8所示)，有利于锚固剂加入孔内后整体的锚固力的提升。

6)设备复位：锚固头端钻孔完成后，喷射器微机1-1向水泵微机5-1传输信号，使高压水泵5-2停止工作；喷射器微机1-1控制调节旋钮1-6转回原位，喷嘴1-5随之回到原位；推进器微机2-1随即控制推进器2重新开始工作，反向推进喷射器1，使其回到初始位置(此时如图9所示)，调整设备并重新输入数据以重新打下一个孔。

应理解，本发明实施例中，涉及到的喷射器微机1-1、水泵微机5-1和推进器微机2-1、压力传感器等电子元件的具体结构及其工作原理为现有技术，在此不作赘述，例如：上述微机的型号均可选用PPC-060，压力传感器的型号可选用GML670。

综上所述，本发明提出了一种适用于矿井锚杆施工的高压水射流10钻孔设备及其施工方法，将钻孔与清孔同步化，提高了锚杆施工的效率，且与传统的金属钻头钻孔相比，高压水射流10具有钻孔准直度高、钻孔温度低、钻孔稳定性高和安全性高的优点；此外，高压水射流10在孔底制造了一个孔径略大于上端的空间，有利于锚固剂加入孔内后整体锚固力的提升。本发明消除了传统钻孔由于钻孔温度升高造成危险的可能，降低了传统钻孔由于钻孔震动剧烈引发矿井事故的可能性，降低了传统钻孔的噪音，并且该设备采用的自动化的微机操作也增加了施工的安全性和效率，为矿井锚杆施工提供了一种良好选择。

本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。