破碎地层竖井掘进机机械破岩钻进工艺

摘要

本发明公开破碎地层竖井掘进机机械破岩钻进工艺，包括如下步骤：步骤A：准备工作：使反井钻杆与竖井掘进机相连接；步骤B：开始钻进：伸缩油缸推动齿轮减速箱向下移动，进而使钻头向下移动，四分之一护盾随着齿轮减速箱上的滑环同步向下移动，对井帮进行临时支护；步骤C：循环钻进：利用反井钻杆与靴板相配合，循环步骤B；步骤D：工作人员在吊盘上对井帮进行支护；步骤E：完成钻井：循环步骤B‑D即可完成钻井；本发明，通过使用反井钻杆提吊竖井掘进机，取消了靴板在竖向受力，使靴板只承受钻头旋转驱动的反扭矩，从而使靴板对破碎井壁的支撑力降至最小，确保在较破碎地层亦能提供反扭矩。

说明书

技术领域

本发明涉及凿井工艺技术领域。具体地说是破碎地层竖井掘进机机械破岩钻进工艺。

背景技术

在现有技术中，现有岩石地层矿井建设工程，多采用普通法凿井施工，需要大量工作人员下到几百米深的狭小开挖工作面，用钻机机具钻爆破孔、装炸药、工作面爆破、将爆破破碎的岩石通过吊桶提升到地面、工作面排水、然后进行支护等作业。机械化水平低、劳动力投入多、工作环境艰苦、安全条件差、事故时有发生，且爆破对围岩扰动较大，原岩应力变化大，支护困难。其中装岩、排水等工序占总施工时间的三分之一到三分之二，施工速度慢30-40m/月。在实际施工过程中，由于这些矿井井筒工程有约20％具有井下巷道，因此可以采用下排渣式竖井掘进机施工。该施工工艺具有劳动强度低、成井质量好、速度快、工效高及人身安全有可靠地保障等优点。

但是现有的竖井掘进机在工作时，需要通过支撑机构将掘进机支撑在井筒内壁上，支撑机构需要对井筒内壁施加压力，使得掘进机获得井筒径向的支撑力。掘进机在钻进井筒的时候，掘进机工作反扭矩形成的切向荷载也需要由支撑机构来承受，支撑机构就会对井筒内壁造成极大压力，很容易对井筒内壁造成损坏；并且在竖井掘进机在纠偏时，提吊装置与竖井掘进机连接处容易产生弯曲甚至扭断，存在安全隐患，并且现有技术中没有一种较好的竖井掘进机钻进工艺。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种安全系数高的破碎地层竖井掘进机机械破岩钻进工艺。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

上述破碎地层竖井掘进机机械破岩钻进工艺，竖井掘进机包括钻头、机体和靴板，所述机体包括上圈梁、下圈梁、立柱导轨、伸缩油缸和齿轮减速箱，上圈梁和下圈梁通过立柱导轨固定连接，伸缩油缸的缸体固定安装在上圈梁上，伸缩油缸的活塞杆自由端与齿轮减速箱固定连接，齿轮减速箱的四周固定安装滑环，齿轮减速箱通过滑环安装在立柱导轨上，齿轮减速箱通过输出主轴与钻头驱动连接，上圈梁和下圈梁上分别安装有靴板，四分之一护盾安装在滑环上且在纵向上位于下圈梁上的两个靴板之间，提吊梁安装在上圈梁上，包括如下步骤：

步骤A：准备工作：将反井钻机坐落在井口井字承重梁上，使反井钻机的反井钻杆从上到下穿过吊盘并与竖井掘进机顶端的提吊梁固定连接；

步骤B：开始钻进：反井钻杆连接好之后，竖井掘进机开始工作，电机通过齿轮减速箱实现减速，以达到钻头所需的转速和扭矩，伸缩油缸推动齿轮减速箱向下移动，进而向输出主轴传递推进力，使钻头向下移动，钻头向下钻进过程中，八个靴板支撑在井壁上，承受因钻头钻进而产生的反扭矩，并且钻头向下钻进的同时，四分之一护盾随着齿轮减速箱上的滑环同步向下移动，对井帮进行临时支护，破碎的岩屑沿一次导井下落到井下巷道；

步骤C：循环钻进：伸缩油缸达最大行程后，竖井掘进机的钻头停止工作，伸缩油缸缩回，进而带动钻头缩回，然后竖井掘进机的八个靴板收回，由于反井钻杆对竖井掘进机的提吊，使得竖井掘进机能够处于竖直状态，反井钻机通过反井钻杆使竖井掘进机向下移动，待竖井掘进机的钻头将要挨地时，反井钻机停止运行，八个靴板顶住井帮，钻头开始工作，四分之一护盾随钻头同步下移，对井帮进行临时支护；

步骤D：支护井帮：稳绞提升系统对吊盘进行提吊，使吊盘向下移动，吊盘上的工作人员对井帮进行加固支护；

步骤E：完成钻井：循环步骤B、步骤C和步骤D即可完成钻井。

上述破碎地层竖井掘进机机械破岩钻进工艺，步骤A中的所述四分之一护盾包括盾体、侧翼骨架、连接法兰和焊接垫板；所述盾体包括框架结构和盾面，所述框架结构安装在所述盾面内表面上；所述连接法兰与所述焊接垫块均焊接在所述侧翼骨架的顶端，且所述焊接垫块位于所述连接法兰朝向竖井掘进机的一侧并与所述连接法兰固定连接，所述连接法兰螺栓安装在所述齿轮减速箱四周的滑环上，所述焊接垫块焊接在所述齿轮减速箱四周的滑环上；所述四分之一护盾可以随所述竖井掘进机稳定同步上下位移。

上述破碎地层竖井掘进机机械破岩钻进工艺，所述四分之一护盾还包括盾面角组、十字骨架和机体连接导轨；所述盾面角组均匀焊接在所述盾体的外表面上：所述盾面角组的长度方向沿所述盾体的纵向延伸，沿所述盾体的圆周方向所述盾面角组等间距分布，在盾体外表面设置盾面角组，盾面角组能够嵌入破碎地层的井壁中，从而提高对破碎地层的临时支护能力、增强支护效果，并且利用盾面角组对破碎地层井壁局部的挤压作用，还能够起到加固破碎地层井壁的作用；同时，纵向设置的盾面角组还对护盾随钻前进起到导向作用；所述十字骨架内嵌焊接在所述框架结构内，所述侧翼骨架焊接在所述框架结构上；所述机体连接导轨沿纵向焊接在所述十字骨架上，所述机体连接导轨与所述竖井掘进机的导轨垫块进行滑动或滚动配合。

上述破碎地层竖井掘进机机械破岩钻进工艺，所述框架结构由两个纵向连接杆和两个横向弧形连接杆组成，两个所述纵向连接杆分别沿所述盾面的两个纵向边沿安装，两个横向弧形连接杆分别沿所述盾面的两个横向弧形边沿安装；所述十字骨架由一个纵向骨架杆和一个横向弧形骨架杆组成，所述纵向骨架杆的两端分别与两个横向弧形连接杆固定连接，所述横向弧形骨架杆分别与两个纵向连接杆固定连接，所述纵向骨架杆和所述横向弧形骨架杆交叉连接处位于所述盾面的中心。

上述破碎地层竖井掘进机机械破岩钻进工艺，每个所述侧翼骨架均包括三个横向侧翼骨架杆和一个纵向侧翼骨架杆，每个所述纵向连接杆沿长度方向等间距安装有三个所述横向侧翼骨架杆，所述纵向侧翼骨架杆固定安装在三个所述横向侧翼骨架杆远离所述纵向连接杆的一端上，所述连接法兰与所述焊接垫块均焊接在所述纵向侧翼骨架杆顶端。

上述破碎地层竖井掘进机机械破岩钻进工艺，步骤B中的所述提吊梁包括连接板、第一螺栓、垫圈和横梁；所述连接板的数量为两个，两个所述连接板通过所述第一螺栓对称安装在所述横梁下表面的两端，每个所述连接板上均设置有两个或两个以上第一螺栓，所述垫圈与所述第一螺栓的数量相等，所述垫圈分别套接在所述第一螺栓上，且所述垫圈位于所述横梁上表面与所述第一螺栓的螺帽之间。

上述破碎地层竖井掘进机机械破岩钻进工艺，所述提吊梁还包括球碗、第二螺栓、球头和连接钻杆；所述横梁的中心位置贯穿开设有通孔，所述通孔靠近底端的位置开设有半球槽，所述球碗通过所述第二螺栓安装在所述横梁下表面的中心位置，所述第二螺栓的数量为两个或两个以上；所述球头设置在所述半球槽内，所述球头位于所述半球槽内的部分紧贴所述半球槽的内表面，且所述球头平行于所述横梁的一个直径高于所述球碗的下表面，所述连接钻杆的一端卡接在所述球头上，所述连接钻杆的另一端穿过所述横梁中心位置的穿孔伸出到所述横梁的上方，且所述穿孔的直径大于所述连接钻杆的直径。

上述破碎地层竖井掘进机机械破岩钻进工艺，所述横梁包括横梁主体和具有半球槽的环形安装件，所述环形安装件的上端位于所述通孔内，所述环形安装件的下端周向向外延伸出固定安装环，固定安装环的直径大于所述通孔的直径；第二螺栓由上至下依次穿过横梁主体、环形安装件和所述球碗。

上述破碎地层竖井掘进机机械破岩钻进工艺，所述球头由两个半球头组成，所述连接钻杆的下端周向表面开设有环形卡槽，每个半球头的内侧成型有半卡环，所述半卡环位于所述环形卡槽内。

上述破碎地层竖井掘进机机械破岩钻进工艺，所述吊盘包括支护平台、动力平台和控制平台；所述吊盘的顶端与稳绞提升系统固定连接，所述吊盘位于所述竖井掘进机的上方，并且所述吊盘由所述稳绞提升系统进行提吊，所述吊盘为三层，三层所述吊盘由下至上依次为支护平台、动力平台和控制平台。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

本发明，通过使用反井钻杆提吊竖井掘进机，取消了靴板在竖向受力，使靴板只承受钻头旋转驱动的反扭矩，从而使靴板对破碎井壁的支撑力降至最小，确保在较破碎地层亦能提供反扭矩，并且竖井掘进机采用反井钻机通过反井钻杆进行提吊，能够充分利用反井钻机系统的大提升能力，在破碎地层坍塌挤死钻头时，大提升力能够把竖井掘进机拖离坍陷区区域。

本发明，护盾跟随齿轮减速箱下行能有效的对已破岩区域的围岩进行临时支护，从而起到了随钻支护、有效保护竖井掘进机的机体的作用，在盾体外表面设置盾面角组，盾面角组能够嵌入破碎地层的井壁中，从而提高对破碎地层的临时支护能力、增强支护效果，并且利用盾面角组对破碎地层井壁局部的挤压作用，还能够起到加固破碎地层井壁的作用；同时，纵向设置的盾面角组还对护盾随钻前进起到导向作用。

本发明，通过在提吊梁的中心安装球头接头短钻杆，能使竖井掘进机在纠偏时可以与竖直方向有一定角度也不能掰断反井钻杆，球头接头短钻杆可在球铰内转动，确保在竖井掘进机的靴板周向滑移时不会将球头接头短钻杆卸开，其中，将球头水平的一个直径设置在高于球碗下表面的位置，可以使球碗将球头卡住，防止球头掉落。

本发明，将连接钻杆卡接在两个半球头内，可以降低球头及连接钻杆的制作难度，并且方便更换连接钻杆和球头。

本发明，通过将竖井掘进机和吊盘分开提吊，且吊盘在竖井掘进机上方，在井下遇到事故，可以紧急提升吊盘，快速脱离竖井掘进机工作面，保证了工作人员的安全。在破碎地层掘进过程中，护盾可以对周位地层起到临时支护作用，如果竖井掘进机在掘进过程中万一发生事故，由于操作人员在竖井掘进上方，因而可以最快脱离竖井掘进机最危险的下部工作空间。并且掘进支护工序优化，在破碎地层掘进能够使支护步伐加快，而不必和钻进同步，吊盘采用三层布置，上层吊盘为控制平台，中间为动力平台，下层为支护平台，在负压通风的煤矿，空气从上向下运行，竖井掘进机操作人员在最上层，空气质量最好；支护平台在下层能，从而确保在破碎地层能够最先进行支护。

附图说明

图1本发明钻进工艺结构示意图；

图2本发明吊盘结构示意图；

图3本发明竖井掘进机结构示意图；

图4本发明四分之一护盾背面结构示意图；

图5本发明四分之一护盾侧面结构示意图；

图6本发明提吊梁结构示意图；

图7本发明提吊梁俯视结构示意图。

图中附图标记表示为：100-竖井掘进机；200-四分之一护盾；300-提吊梁；400-反井钻杆；500-一次导井；600-二级导井；700-吊盘；800-井下巷道；900-稳绞提升系统：101-钻头；102-机体；103-靴板；1021-上圈梁；1022-下圈梁；1023-立柱导轨；1024-伸缩油缸；1025-齿轮减速箱；201-盾体；202-盾面角组；203-侧翼骨架；204-十字骨架；205-机体连接导轨；206-连接法兰；207-焊接垫板；301-连接板；302-第一螺栓；303-垫圈；304-横梁；305-球碗；306-第二螺栓；307-球头；308-连接钻杆；3041-环形安装件；3042-固定安装环；701-支护平台；702-动力平台；703-控制平台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

破碎地层竖井掘进机机械破岩钻进工艺，竖井掘进机100包括钻头101、机体102和靴板103，机体102包括上圈梁1021、下圈梁1022、立柱导轨1023、伸缩油缸1024和齿轮减速箱1025，上圈梁1021和下圈梁1022通过立柱导轨1023固定连接，伸缩油缸1024的缸体固定安装在上圈梁1021上，伸缩油缸1024的活塞杆自由端与齿轮减速箱1025固定连接，齿轮减速箱1025的四周固定安装滑环，齿轮减速箱1025通过滑环安装在立柱导轨1023上，齿轮减速箱1025通过输出主轴与钻头101驱动连接，上圈梁1024和下圈梁上分别安装有靴板103，四分之一护盾200安装在滑环上且在纵向上位于下圈梁上的两个靴板103之间，提吊梁300安装在上圈梁1021上，包括如下步骤：

步骤A：准备工作：将反井钻机坐落在井口井字承重梁上，使反井钻机的反井钻杆400从上到下穿过吊盘700并与竖井掘进机100顶端的提吊梁300固定连接；吊盘700通过井架的稳绞提升系统900提吊，井下的竖井掘进机100和吊盘700之间的液压胶管及电缆属于软连接，因此竖井掘进机100和吊盘700可以不用保持同步运动；也就是说：竖井掘进机100的掘进，与施工人员在吊盘700上对掘进形成的井筒进行支护作业以及监测和操控竖井掘进机100，可以分别进行，如果掘进过程中发生危险，吊盘700可以独立于竖井掘进机100上升至井筒已经支护好的位置，确保施工人员人身安全；

步骤B：开始钻进：反井钻杆400连接好之后，竖井掘进机100开始工作，电机通过齿轮减速箱1025实现减速，以达到钻头101所需的转速和扭矩，伸缩油缸1024推动齿轮减速箱1025向下移动，进而向输出主轴传递推进力，使钻头101向下移动，钻头101向下钻进过程中，八个靴板103支撑在井壁上，承受因钻头101钻进而产生的反扭矩，并且钻头101向下钻进的同时，四分之一护盾200随着齿轮减速箱1025上的滑环同步向下移动，对井帮进行临时支护，破碎的岩屑沿一次导井500下落到井下巷道800；

步骤C：循环钻进：伸缩油缸1024达最大行程后，竖井掘进机100的钻头101停止工作，伸缩油缸1024缩回，进而带动钻头101缩回，然后竖井掘进机100的八个靴板103收回，由于反井钻杆400对竖井掘进机100的提吊，使得竖井掘进机100能够处于竖直状态，反井钻机通过反井钻杆400使竖井掘进机100向下移动，待竖井掘进机100的钻头将要挨地时，反井钻机停止运行，八个靴板103顶住井帮，钻头101开始工作，四分之一护盾200随钻头101同步下移，对井帮进行临时支护；

步骤D：支护井帮：稳绞提升系统900对吊盘700进行提吊，使吊盘700向下移动，吊盘700上的工作人员对井帮进行加固支护；

步骤E：完成钻井：循环步骤B、步骤C和步骤D即可完成钻井。

如图4-5所示，步骤A中的四分之一护盾200包括盾体201、侧翼骨架203、连接法兰206和焊接垫板207；盾体201包括框架结构和盾面，框架结构安装在盾面内表面上；连接法兰206与焊接垫块207均焊接在侧翼骨架203的顶端，且焊接垫块207位于连接法兰206朝向竖井掘进机的一侧并与连接法兰206固定连接，连接法兰206螺栓安装在齿轮减速箱1025四周的滑环上，焊接垫块207焊接在齿轮减速箱1025四周的滑环上；四分之一护盾200可以随竖井掘进机100稳定同步上下位移，四分之一护盾200还包括盾面角组202、十字骨架204和机体连接导轨205；盾面角组202均匀焊接在盾体201的外表面上：所述盾面角组202的长度方向沿所述盾体201的纵向延伸，沿所述盾体201的圆周方向所述盾面角组202等间距分布，在盾体201外表面设置盾面角组202，盾面角组202能够嵌入破碎地层的井壁中，从而提高对破碎地层的临时支护能力、增强支护效果，并且利用盾面角组202对破碎地层井壁局部的挤压作用，还能够起到加固破碎地层井壁的作用；同时，纵向设置的盾面角组202还对护盾随钻前进起到导向作用；十字骨架204内嵌焊接在框架结构内，侧翼骨架203焊接在框架结构上；机体连接导轨205沿纵向焊接在十字骨架204上，机体连接导轨205与竖井掘进机100的导轨垫块进行滑动或滚动配合，框架结构由两个纵向连接杆和两个横向弧形连接杆组成，两个纵向连接杆分别沿盾面的两个纵向边沿安装，两个横向弧形连接杆分别沿盾面的两个横向弧形边沿安装；十字骨架204由一个纵向骨架杆和一个横向弧形骨架杆组成，纵向骨架杆的两端分别与两个横向弧形连接杆固定连接，横向弧形骨架杆分别与两个纵向连接杆固定连接，纵向骨架杆和横向弧形骨架杆交叉连接处位于盾面的中心，每个侧翼骨架203均包括三个横向侧翼骨架杆和一个纵向侧翼骨架杆，每个纵向连接杆沿长度方向等间距安装有三个横向侧翼骨架杆，纵向侧翼骨架杆固定安装在三个横向侧翼骨架杆远离纵向连接杆的一端上，连接法兰206与焊接垫块207均焊接在纵向侧翼骨架杆顶端。

如图6-7所示，步骤B中的提吊梁300包括连接板301、第一螺栓302、垫圈303和横梁304；连接板301的数量为两个，两个连接板301通过第一螺栓302对称安装在横梁304下表面的两端，每个连接板301上均设置有两个或两个以上第一螺栓302，垫圈303与第一螺栓302的数量相等，垫圈303分别套接在第一螺栓302上，且垫圈303位于横梁304上表面与第一螺栓302的螺帽之间；提吊梁300还包括球碗305、第二螺栓306、球头307和连接钻杆308；横梁304的中心位置贯穿开设有通孔，通孔靠近底端的位置开设有半球槽，球碗305通过第二螺栓306安装在横梁304下表面的中心位置，第二螺栓306的数量为两个或两个以上；球头307设置在半球槽内，球头307位于半球槽内的部分紧贴半球槽的内表面，且球头307平行于横梁304的一个直径高于球碗305的下表面，连接钻杆308的一端卡接在球头307上，连接钻杆308的另一端穿过横梁304中心位置的穿孔伸出到横梁304的上方，且穿孔的直径大于连接钻杆308的直径；横梁304包括横梁主体和具有半球槽的环形安装件3041，环形安装件的上端位于通孔内，环形安装件的下端周向向外延伸出固定安装环3042，固定安装环3042的直径大于通孔的直径；第二螺栓306由上至下依次穿过横梁主体、环形安装件3041和球碗305，球头307由两个半球头组成，连接钻杆308的下端周向表面开设有环形卡槽，每个半球头的内侧成型有半卡环，半卡环位于环形卡槽内。

如图2所示，吊盘700包括支护平台701、动力平台702和控制平台703；吊盘700的顶端与稳绞提升系统900固定连接，吊盘700位于竖井掘进机100的上方，并且吊盘700由稳绞提升系统1000进行提吊，吊盘700为三层，三层吊盘700由下至上依次为支护平台701、动力平台702和控制平台703。

工作原理：通过使用反井钻杆400提吊竖井掘进机100，取消了靴板103在竖向受力，使靴板103只承受钻头101旋转驱动的反扭矩，从而使靴板103对破碎井壁的支撑力降至最小，确保在较破碎地层亦能提供反扭矩，并且竖井掘进机100采用反井钻机通过反井钻杆400进行提吊，能够充分利用反井钻机系统的大提升能力，在破碎地层坍塌挤死钻头101时，大提升力能够把竖井掘进机100拖离坍陷区区域，护盾跟随齿轮减速箱1025下行能有效的对已破岩区域的围岩进行临时支护，从而起到了随钻支护、有效保护竖井掘进机100的机体102的作用，通过在提吊梁300的中心安装球头307和连接钻杆308，能使竖井掘进机100在纠偏时可以与竖直方向有一定角度也不能掰断反井钻杆400，球头307和连接钻杆308可在半球槽内转动，确保在竖井掘进机100的靴板103周向滑移时不会将球头307接和连接钻杆308卸开，其中，将球头307水平的一个直径设置在高于球碗305下表面的位置，可以使球碗305将球头307卡住，防止球头307掉落，将连接钻杆308卡接在两个半球头内，可以降低球头307及连接钻杆308的制作难度，并且，方便更换连接钻杆308和球头307，通过将竖井掘进机100和吊盘700分开提吊，且吊盘700在竖井掘进机100上方，在井下遇到事故，可以紧急提升吊盘700，快速脱离竖井掘进机100工作面，保证了工作人员的安全。在破碎地层掘进过程中，护盾可以对周位地层起到临时支护作用，如果竖井掘进机100在掘进过程中万一发生事故，由于操作人员在竖井掘进机100上方，因而可以最快脱离竖井掘进机100最危险的下部工作空间。并且掘进支护工序优化，在破碎地层掘进能够使支护步伐加快，而不必和钻进同步，吊盘700采用三层布置，上层吊盘为控制平台703，中间为动力平台702，下层为支护平台701，在负压通风的煤矿，空气从上向下运行，竖井掘进机100操作人员在最上层，空气质量最好；支护平台701在下层能，从而确保在破碎地层能够最先进行支护。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。