多功能钻孔装置及采空区施工装置的制作方法

1.本实用新型涉及地质勘测与施工技术领域，尤其涉及一种多功能钻孔装置及采空区施工装置。


背景技术：

2.采空区是由人为挖掘或者天然地质运动在地表下面产生的“空洞”，采空区的存在使得矿山的安全生产面临很大的安全问题，人员与机械设备都可能掉入采空区内部受到伤害。这些采空区没有采取任何处理措施，开采完成之后，煤层上方的岩石可能会出现垮落带、裂隙带以及弯曲带：垮落带可在地表也会引起不连续的变形；裂隙带则使得岩层不连续，产生斜交或垂直的断层；弯曲带主要位于裂缝带上方，其上覆岩没有塌陷或断裂，但是这种采空区埋藏深度很大，只有用精密仪器才能观测地表变形情况；这些变化极大地影响了采空区上方的桩基施工。
3.通常在采空区施工时，在桩基打孔过程中如果需要穿越多层采空区巷道，则需要反复对相同的采空区巷道进行填充处理，步骤很繁琐。如果一次性完全贯穿两层或者多层巷道，由于破坏了顶层围岩的受力平衡，两层采空区之间的桩基孔壁可能发生垮落坍塌，形成塌孔。
4.由于地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点，因此，如何准确地勘测出桩基四周采空区的所在并对不稳定的采空区进行处理，是采空区桩基施工的关键。目前比较有效的解决方式是分次钻孔，分次钻孔是通过更换不同大小的钻头，使得每次贯穿采空区巷道之后对当层进行钢护筒加护。首先采用小钻头往下钻进，钢护筒加护完成再换成大钻头对小钻的钻孔进行扩孔，这样可以对多层采空巷道进行一次性处理且不会发生相邻层之间的孔壁坍塌，但是处理下一层采空区巷道时，又需要提起直径较大的钻头至地面上，人工更换一个直径更小的钻头进行继续打孔，此种钻孔方式由于需要频繁取下钻头进行更换，因此严重影响了钻孔效率。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种多功能钻孔装置及采空区施工装置，可以无需取下钻头进行更换，实现钻头的快速切换，提高了钻孔效率。
6.为了实现上述的目的，本实用新型采用了如下的技术方案：
7.一种多功能钻孔装置，包括转轴、第一钻头、环状的第二钻头、固定板以及伸缩机构，所述第一钻头固定在所述转轴的末端，所述转轴的另一端同时穿过所述固定板、所述第二钻头，并与所述固定板、所述第二钻头转动连接，所述固定板通过所述伸缩机构连接所述第二钻头，所述固定板在所述转轴的长度方向上的位置固定，且所述第二钻头相对于所述固定板更靠近所述第一钻头；所述第二钻头的内径大于所述第一钻头的外径，且所述第一钻头的外表面设有下配合部，所述第二钻头的内表面设有设有上配合部，在所述伸缩机构的长度改变的过程中，所述下配合部与所述上配合部选择性地卡合，以改变所述第二钻头
随所述第一钻头的同步转动状态。
8.作为其中一种实施方式，所述伸缩机构为气缸或液压缸。
9.作为其中一种实施方式，所述伸缩机构为多个，对称地设置在所述转轴的四周，且所述伸缩机构外套设有用于将所述伸缩机构、所述转轴罩设于其中的保护层。
10.作为其中一种实施方式，所述保护层为波纹管。
11.作为其中一种实施方式，所述固定板与所述转轴之间通过轴承连接，所述转轴与所述第二钻头之间通过直线轴承连接。
12.作为其中一种实施方式，所述下配合部、所述上配合部均为多个。
13.作为其中一种实施方式，还包括声呐探测器，所述声呐探测器固定在所述第一钻头上，用于探测采空区的范围和深度。
14.作为其中一种实施方式，所述下配合部凹陷地设置在所述第一钻头的环面上，所述上配合部凸设于所述第二钻头的内环面上；或者，所述所述下配合部凸设于所述第一钻头的环面上，所述上配合部凹陷地设置在所述第二钻头的内环面上。
15.作为其中一种实施方式，所述下配合部凹陷地设置在所述第一钻头的顶面，所述上配合部凸设于所述第二钻头的底面；或者，所述下配合部凸设于所述第一钻头的顶面，所述上配合部凹陷地设置在所述第二钻头的底面。
16.本实用新型的另一目的在于提供一种采空区施工装置，包括电磁探测装置和上述的多功能钻孔装置，所述电磁探测装置用于探测采空区的巷道位置。
17.本实用新型具有两个可以自由分离和组合的钻头，可以在钻孔过程中通过改变伸缩机构的工作长度的方式来改变第二钻头与第一钻头的结合状态，从而利用第一钻头实现钻进，利用第二钻头实现扩孔，在分次钻孔的过程中实现快速分钻且不需要施工人员取下原有的钻头进行手工替换，提高了作业效率。
附图说明
18.图1为本实用新型实施例的采空区施工装置的结构示意图；
19.图2为本实用新型实施例的一种多功能钻孔装置的部分结构示意图；
20.图3为本实用新型实施例的另一种多功能钻孔装置的部分结构示意图；
21.图4为本实用新型实施例的采空区施工装置的施工过程示意图。
具体实施方式
22.在本实用新型中，术语“设置”、“设有”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
23.术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
24.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
25.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本实用新型中的具体含义。
26.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
27.参阅图1和图2，本实用新型实施例提供了一种多功能钻孔装置，主要包括转轴1、第一钻头2、环状的第二钻头3、固定板4以及伸缩机构5，第一钻头2固定在转轴1的末端，转轴1的另一端同时穿过固定板4、第二钻头3，并与固定板4、第二钻头3转动连接，固定板4通过伸缩机构5连接第二钻头3，固定板4在转轴1的长度方向上的位置固定，且第二钻头3相对于固定板4更靠近第一钻头2；第二钻头3的内径大于第一钻头2的外径，且第一钻头2的外表面设有下配合部21，第二钻头3的内表面设有设有上配合部31，在伸缩机构5的长度改变的过程中，下配合部21与上配合部31选择性地卡合，以改变第二钻头3随第一钻头2的同步转动状态。
28.也就是说，转轴1将固定板4、第二钻头3、第一钻头2依次串在一起，固定板4在转轴1上的轴向位置不可变动，但是其转动状态与转轴1相互独立，第二钻头3、伸缩机构5集成在固定板4上，它们的转动状态与固定板4一致。伸缩机构5用于驱动第二钻头3沿转轴1移动而改变与第一钻头2之间的距离，伸缩机构5的长度改变至上配合部31与下配合部21配合时，第二钻头3、伸缩机构5、固定板4可随第一钻头2同步转动。
29.在正常状态下，固定板4是不会随着转轴1的转动而转动的，伸缩机构5处于较短的工作长度，第二钻头3被上提至与第一钻头2脱离配合，第一钻头2可随转轴1转动而单独进行转动，从而实现较小直径孔的钻进，此时，第二钻头3悬于第一钻头2上方；而当钻进至预定深度，到达采空区时，则需要增大钻孔孔径进行扩孔，此时，则需要控制伸缩机构5的工作长度伸长，使第二钻头3下沉至与下方的第一钻头2结合，第二钻头3则随第一钻头2的转动而转动，从而实现扩孔；当采空区贯穿后，则可以改为第一钻头2单独钻进，控制伸缩机构5的工作长度缩短，使第二钻头3上提至与第一钻头2脱离即可，如此反复，即完成采空区的钻孔过程。整个过程无需人工将钻头取出至地面进行钻头的更换，省时省力，非常方便。
30.这里，伸缩机构5优选可以是气缸或液压缸。伸缩机构5可以具有多个，对称地设置在转轴1的四周，从而保证驱动的平稳性。在伸缩机构5外还可以套设有用于将伸缩机构5、转轴1罩设于其中的保护层6，保护层6可以例如是波纹管，可以随伸缩机构5的长度改变而改变，始终对内部的结构进行保护，防止受到土层的腐蚀。下配合部21、上配合部31也可以分别具有多个，下配合部21、上配合部31成对设置，即二者的数量一致，优选这些下配合部21、上配合部31分别对称地布置在第一钻头2、第二钻头3上，从而实现结构的均匀受力。
31.如图2所示，固定板4与转轴1之间可以通过轴承7连接，转轴1与第二钻头3之间可以通过直线轴承8连接。转轴1上对应轴承7的上下端部均可以固定有卡簧1a，从而限制轴承
7在纵向上的窜动。
32.另外，为了方便地探测采空区的地形，本实施例的多功能钻孔装置还自带声呐探测器20，声呐探测器20可以固定在第一钻头2上，用于探测采空区的范围和深度。
33.如图2和图3所示，分别为下配合部21和上配合部31的两种配合结构设计。如图2中，下配合部21凸设于第一钻头2的顶面，上配合部31凹陷地设置在第二钻头3的底面。当第二钻头3朝向第一钻头2靠近时，第一钻头2的上部伸入到第二钻头3内，其顶部的下配合部21插入到第二钻头3的上配合部31内，从而防止第二钻头3、第一钻头2在周向上的相对转动，转轴1转动则可带动第一钻头2、第二钻头3同步转动进行扩孔。在其他实施方式中，也可以将下配合部21凹陷地设置在第一钻头2的顶面，上配合部31凸设于第二钻头3的底面。
34.如图3中，下配合部21凹陷地设置在第一钻头2的环面上，上配合部31凸设于第二钻头3的内环面上，当第二钻头3朝向第一钻头2靠近时，第一钻头2的上部伸入到第二钻头3内，第二钻头3的内环面的上配合部31可以插入到下方的第一钻头2的外周面顶部的下配合部21内，同样能够实现第二钻头3、第一钻头2的周向限位。下配合部21凸设于第一钻头2的环面上，上配合部31凹陷地设置在第二钻头3的内环面上。
35.本实用新型实施例还提供了一种采空区施工装置，除了上述的多功能钻孔装置外，还可以包括驱动马达m，驱动马达m驱动转轴1转动，从而实现传递转矩的传递。另外，还可以利用固定板100作为驱动马达m的固定平台，通过利用控制中枢，如打桩机等钻进机械的支臂将固定板100进行固定，即可将第一钻头2移动至桩基孔上方的预定的高度准备钻进。另外，采空区施工装置还可以具有电磁探测装置10，电磁探测装置10可以包括发射天线和接收天线，接收天线可以设置在第一钻头2上，发射天线用于铺设在桩基孔的外围，最好是与桩基孔同心设置，可用于通过发射天线发射和接收天线接收电磁波的方式来进行电阻率分析成像，以探测定位采空区的巷道位置。
36.结合图4所示，在第一钻头2未钻进桩基孔之前，其处于桩基孔的上方，通过控制中枢发送指令控制电磁探测装置10对桩基孔底面发射一段电磁脉冲激励，第一钻头2上的接收天线迅速收集第一次的激励信号以及地底反射回来的二次回波信号，区分第一次正面接收的激励信号与地底发射的二次回波信号，将第一次接收的激励信号作为参照滤波，以消除第一钻头2对探测的干扰。通过接收到地层的二次回波信号进行电阻率分析成像，据此分析下方的地质情况，确定与地面最近距离的采空区的巷道位置之后钻机开启工作，第一钻头2则开始进入桩基孔内。
37.脉冲间隔时间过后，控制中枢再次控制发射天线对桩基孔下方的底面进行一次电磁脉冲激励，由于在此时接收天线已经深入桩基孔下方的地底，地质深层原本因路径干扰衰弱的回波信号由于接收天线与目标的距离缩短，二次回波信号传输的路径距离变短，在不超过探测范围的一定深度范围内，随着第一钻头2的不断深入，原本更深处的信号则采集得更清晰。
38.当第一钻头2到达已发现的采空区深度时，控制中枢控制发射线圈停止发送电磁脉冲信号，进入待机状态。与此同时，启动声呐探测器20，切换成声呐探测，通过声呐探测器20探测采空区的范围和深度，并建立地质勘察bim模型，可以实时观测钻机在采空区巷道内的位置。当第一钻头2进入采空区巷道底面时，第一钻头2磨平采空巷道底部而后停止转动，之后声呐探测器20进入待机状态并恢复发射线圈的工作。
39.启动固定板4上的伸缩机构5拉起第二钻头3，使第二钻头3悬停在第一钻头2上方(可以继续位于桩基孔内)，而后第一钻头2继续钻进，桩基孔上方的钢护筒由振动锤与导向架的配合下沉到采空区巷道底部，以加固采空区巷道；接着往下钻进一段距离，若是没有发现新的采空区巷道，则说明钻进深度已贯穿采空区，将第一钻头2停转并拉起至上一个采空区巷道底部，伸缩机构5伸长，下沉第二钻头3至与第一钻头2进行结合，结合完成后对上一个采空区底面以下的桩基孔进行扩孔，继续往下钻进；若是发现新的采空区巷道，第一钻头2则继续往下钻进，而上方的采空区巷道则先用钢护筒进行加护直至第一钻头2贯穿新的采空区。第一钻头2贯穿新的采空区巷道之后，第一钻头2停止转动，通过伸缩机构5下沉第二钻头3或者拉起第二钻头3使得第二钻头3与第一钻头2结合而增大钻头的直径，继续往下钻进，对当前的桩基孔进行扩孔。
40.循环实施上一步骤直到抵达设计深度，若第一钻头2抵达设计深度之后仍未发现新的采空区巷道，则第一钻头2停止钻动，启动砂泵，将砂泵的导管深入桩基孔，通过砂泵快速抽取桩基孔内的泥浆以对下方的桩基孔进行清理；若发现新的采空区巷道，则需要继续往下钻进，贯穿采空区巷道底面再进行钢护筒加护以及清孔灌浆，确保桩基下方一定距离之内没有采空区巷道。
41.本实用新型具有两个可以自由分离和组合的钻头，可以在钻孔过程中通过改变伸缩机构的工作长度的方式来改变第二钻头与第一钻头的结合状态，从而利用第一钻头实现钻进，利用第二钻头实现扩孔，在分次钻孔的过程中实现快速分钻且不需要施工人员取下原有的钻头进行手工替换，提高了作业效率。而且，还可以通过发射线圈与声呐探测器的组合进行实时的探测桩基孔下方的地质情况，为采空区的桩基施工提供指引，增加采空区施工的安全性。
42.以上所述仅是本技术的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。