顶板切缝装置及方法与流程

1.本公开涉及采矿技术领域，尤其涉及一种顶板切缝装置及方法。


背景技术：

2.在煤炭地下开采中，顶板定向切缝技术是无煤柱自成巷开采的关键核心技术之一。现有技术主要采用炸药聚能爆破的方式在顶板岩体中定向切出一个裂缝面，但炸药聚能爆破技术存在炸药审批困难，运输风险高，爆破噪声大，危险性高，产生有害气体等问题。因此，有必要寻找新的装备与技术，完成顶板切缝同时降低安全风险。
3.所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

4.本公开的目的在于提供一种顶板切缝装置及方法，该装置可以通过多次钻进实现密集钻孔，从而无需炸药爆破就能完成顶板切缝作业。。
5.为实现上述发明目的，本公开采用如下技术方案：
6.根据本公开的第一个方面，提供一种顶板切缝装置，用于与移动机构连接，所述移动机构实现该顶板切缝装置的移动和定位，其特征在于，所述顶板切缝装置包括：
7.支撑组件；
8.第一固定板，固定于所述支撑组件的一端；
9.多个钻机，连接于所述支撑组件的另一端；
10.多个钻杆和多个钻头组件，多个所述钻杆位于所述支撑组件的一侧，所述钻杆的一端可拆卸连接于所述钻机，所述钻杆的另一端穿过所述第一固定板与所述钻头组件连接，多个所述钻头组件沿第一方向等间距排列，所述钻头组件、所述钻杆和所述钻机的位置一一对应。
11.在本公开的一种示例性实施例中，所述钻头组件包括相互连接的第一钻头和第二钻头，所述第一钻头和所述第二钻头沿第二方向排列，所述第二方向与所述第一方向垂直，所述第一钻头和所述第二钻头的中心点重合，所述第一钻头的外围直径小于所述第二钻头的外围直径，所述第二钻头与所述钻机之间的距离小于所述第一钻头与所述钻机之间的距离。
12.在本公开的一种示例性实施例中，所述支撑组件包括：
13.多个钻臂，多个所述钻臂沿所述第一方向排列，所述第一固定板固定于所述多个钻臂的一端；
14.第二固定板，连接于所述多个钻臂的另一端；
15.其中，所述钻机通过所述第二固定板与所述钻臂的另一端连接，所述钻机和所述钻臂一一对应连接。
16.在本公开的一种示例性实施例中，所述顶板切缝装置还包括：
17.旋转机构，连接于所述多个钻臂背离所述多个钻杆的一侧，所述旋转机构用于与所述移动机构连接，并带动所述支撑组件旋转。
18.在本公开的一种示例性实施例中，所述顶板切缝装置还包括：
19.连接板，连接于所述多个钻臂和所述旋转机构之间。
20.在本公开的一种示例性实施例中，所述第二钻头和所述第一钻头的外围直径差小于25mm。
21.在本公开的一种示例性实施例中，所述第一钻头的直径为72
‑
77mm，所述第二钻头的直径为92
‑
96mm。
22.在本公开的一种示例性实施例中，相邻两个所述钻头组件的中心点之间的距离与所述第二钻头的外围直径满足如下关系式：
23.6≤l
‑
d
×
2≤15，
24.其中，l为相邻两个所述钻头组件的中心点之间的距离，mm；d为所述第二钻头的外围直径，mm。
25.在本公开的一种示例性实施例中，所述第一钻头的外围直径为75mm，所述第二钻头的外围直径为94mm，相邻两个所述钻头组件的中心点之间的距离为200mm。
26.在本公开的一种示例性实施例中，相邻两个所述钻杆的中轴线之间的距离与相邻两个所述钻头组件的中心点之间的距离相等，所述中轴线与所述第一方向垂直。
27.根据本公开的第二个方面提供一种顶板切缝方法，采用第一方面所述的顶板切缝装置，所述方法包括：
28.第一次钻进，将所述多个钻头组件同时钻进顶板中，于顶板内形成多个第一钻孔；
29.第二次钻进，将所述钻头组件沿所述第一方向平移，并将所述多个钻头组件同时钻进相邻两个所述第一钻孔之间的顶板中，于顶板内形成多个第二钻孔。
30.本公开提供的顶板切缝装置，包括支撑组件、第一固定板、钻机、钻杆和钻头组件，其中，钻机、钻杆和钻头组件的数量为多个，多个钻头组件等间距排列，钻头组件、钻杆和钻机的位置一一对应。在本公开中，钻头组件的数量为多个，相互间的距离相等，因此，可以通过多次钻进实现密集钻孔，从而无需炸药爆破就能完成顶板切缝作业。
附图说明
31.通过参照附图详细描述其示例实施方式，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
32.图1是本公开示例性实施例中顶板切缝装置主视图；
33.图2是本公开示例性实施例中顶板切缝装置左视图；
34.图3是本公开示例性实施例中顶板切缝装置右视图；
35.图4是本公开示例性实施例中顶板切缝装置俯视图；
36.图5是本公开示例性实施例中钻头组件结构示意图；
37.图6是本公开示例性实施例中形成钻孔的结构示意图。
38.附图标记说明：
39.100
‑
支撑组件；110
‑
钻臂；120
‑
第二固定板；200
‑
第一固定板；300
‑
钻机；400
‑
钻杆；500
‑
钻头组件；510
‑
第一钻头；520
‑
第二钻头；x
‑
第一方向；y
‑
第二方向；600
‑
旋转机构；
700
‑
连接板；10
‑
钻孔。
具体实施方式
40.现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。
41.在图中，为了清晰，可能夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
42.所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本公开的主要技术创意。
43.当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。
44.用语“一个”、“一”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。用语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
45.如图1所示，本公开实施方式中提供一种顶板切缝装置，用于煤炭地下开采中进行顶板切缝，该顶板切缝装置可连接于移动机构，移动机构实现该顶板切缝装置的移动和定位。顶板切缝装置包括支撑组件100、第一固定板200、钻机300、钻杆400和钻头组件500，其中，钻机300、钻杆400和钻头组件500的数量为多个。第一固定板200固定于支撑组件100的一端，多个钻机300连接于支撑组件100的另一端，钻杆400的一端可拆卸连接于钻机300，钻杆400的另一端穿过第一固定板200与钻头组件500连接，多个钻头组件500沿第一方向x等间距排列，钻头组件500、钻杆400和钻机300的位置一一对应。
46.本公开提供的顶板切缝装置，包括支撑组件100、第一固定板200、钻机300、钻杆400和钻头组件500，其中，钻机300、钻杆400和钻头组件500的数量为多个，多个钻头组件500等间距排列，钻头组件500、钻杆400和钻机300的位置一一对应。在本公开中，钻头组件500的数量为多个，相互间的距离相等，因此，可以通过多次钻进实现密集钻孔，从而无需炸药爆破就能完成顶板切缝作业。
47.下面结合附图对本公开实施方式提供的顶板切缝装置的各部件进行详细说明：
48.如图1至图4、图6所示，本公开提供的顶板切缝装置，用于煤炭地下开采的顶板切缝。该顶板切缝装置可连接于移动机构，移动机构实现该顶板切缝装置的移动和定位。进一步地，移动机构可包含多种伸缩机构和旋转机构，以实现顶板切缝装置在多个方向上的伸缩和旋转，从而满足顶板不同位置的钻孔10切缝需求。
49.顶板切缝装置包括支撑组件100、第一固定板200、钻机300、钻杆400和钻头组件
500，其中，钻机300、钻杆400和钻头组件500的数量为多个，第一固定板200和钻机300分别连接于支撑组件100的两端。钻杆400位于支撑组件100的一侧，并连接于第一固定板200和钻机300之间。
50.支撑组件100在整个装置中主要起支撑作用。在一些实施例中，支撑组件100包括第二固定板120和多个钻臂110。第一固定板200连接于多个钻臂110的一端，第二固定板120连接于多个钻臂110的另一端。第一固定板200和第二固定板120实现对多个钻臂110的固定。
51.多个钻臂110沿第一方向x排列。优选地，多个钻臂110等间距排列。具体地，相邻两个钻臂110之间的间距可根据相邻两个钻头组件500之间的间距进行设定。钻臂110和钻杆400的数量相等，且钻臂110和钻杆400的位置一一对应，钻臂110可对钻杆400起到辅助支撑作用，避免在对顶板进行钻进的过程中钻杆400出现弯曲形变等状况。当然，钻臂110的数量也可以不等，如相邻两个钻杆400可以共同对应一个钻臂110，该钻臂110同时支撑两个钻杆400。在具体实施例中，钻臂110可以是横截面为圆形、椭圆形、长方形、多边形或不规则形状的杆状结构，具有较强的结构强度。在一实施例中，钻头组件500的数量为四个，相对应地，钻杆400和钻臂110的数量也均为四个。
52.第二固定板120连接于多个钻臂110的另一端。第二固定板120可通过螺栓、卡扣、焊接等方式连接于多个钻臂110的另一端。多个钻臂110均连接于同一块第二固定板120，通过第二固定板120实现对多个钻臂110另一端的固定。在一些实施例中，第二固定板120的形状大小可根据多个钻臂110的尺寸及相互间的间距进行设定。第二固定板120可以是单层板结构，也可以是多层板结构，具体本公开不做限定。
53.第一固定板200固定于支撑组件100的一端。第一固定板200可通过螺栓、卡扣、焊接等方式连接于多个钻臂110的一端。多个钻臂110均连接于同一块第一固定板200，通过第一固定板200实现对多个钻臂110一端的固定。在一些实施例中，第一固定板200的形状大小可根据多个钻臂110的尺寸及相互间的间距进行设定。第一固定板200可以是单层板结构，也可以是多层板结构，具体本公开不做限定。
54.多个钻机300连接于支撑组件100的另一端，具体地，多个钻机300通过第二固定板120与钻臂110的另一端连接，钻机300和钻臂110一一对应连接。钻机300用于提供驱动力，以驱动钻杆400做往复移动。在实际应用中，钻机300驱动钻杆400往顶板方向移动，并通过钻头组件500在顶板上钻出钻孔10。钻机300的数量和位置根据钻头组件500的数量及位置进行设定。具体地，多个钻机300沿第一方向x排列，且钻机300、钻杆400和钻头组件500一一对应连接。在一实施例中，钻头组件500的数量为四个，相对应的，钻机300的数量也为四个，每个钻机300都可以独立控制。
55.多个钻杆400位于支撑组件100的一侧，钻杆400的一端可拆卸连接于钻机300，钻杆400的另一端穿过第一固定板200与钻头组件500连接。具体地，第一固定板200上设置有安装孔，钻杆400穿过该安装孔与钻头组件500连接，且钻杆400可相对第一固定板200滑动。在实际作业时，钻机300驱动钻杆400朝顶板方向移动，同时还驱动钻杆400进行顺时针或逆时针旋转，在钻机300的作用下，钻杆400带动钻头组件500于顶板内形成钻孔10。钻孔10在顶板内形成的深度一般由钻杆400的长度决定，钻杆400长度越长，钻孔10在顶板内形成的深度越深。在实际钻孔10中，当钻杆400长度不够时，可通过连接新的钻杆400来满足钻孔10
的深度要求。本公开钻杆400与钻机300可拆卸连接，因此，作业人员在钻进过程中，可将钻杆400与钻机300分离，并连接新的钻杆400，延长钻杆400的长度，随后再将钻机300与新的钻杆400连接，继续完成钻孔作业，进而在顶板内形成深度更深的钻孔10，满足顶板切缝的要求。在一具体实施例中，钻杆400在连接新的钻杆400时采用插接或卡接形式，以方便连接，优选地，钻杆400可采用六方插接型钻杆。
56.如图1、图4和图5所示，多个钻头组件500沿第一方向x等间距排列，以在实际作业时，形成多个等间距的钻孔10。相邻两个钻头组件500之间的间距可根据实际钻孔10的间距要求和钻头直径等进行设定。在一些实施例中，钻头组件500包括相互连接的第一钻头510和第二钻头520，第一钻头510和第二钻头520沿第二方向y排列，第二方向y与第一方向x垂直。第一钻头510和第二钻头520的中心点重合，第一钻头510的外围直径小于第二钻头520的外围直径，第二钻头520与钻机300之间的距离小于第一钻头510与钻机300之间的距离。在实际作业中，直径较小的第一钻头510先接触顶板，并在顶板内初步形成直径较小的钻孔10。之后，在钻机300的进一步推动下，第二钻孔10接触至顶板，从而将直径较小的钻孔10进一步扩大，形成直径较大的钻孔10，完成扩孔作业。该实施例中，由于钻头组件500包括直径大小不同的第一钻头510和第二钻头520，且第二钻头520与钻机300之间的距离小于第一钻头510与钻机300之间的距离，因此，可以在钻孔的同时完成扩孔作业，减少专门的扩孔作业，从而提升钻孔效率。
57.另外，第一钻头好510和第二钻头520之间的距离可根据两个钻头的外围直径或实际的作业需求进行设置。在一些实施例中，第一钻头510和第二钻头520之间的距离可以大致为第二钻头直径的1
‑
3倍，也可以为95
‑
200mmm，具体本公开不做限定。
58.在一些实施例中，第二钻头520和第一钻头510的外围直径差小于25mm。优选地，第二钻头520和第一钻头510的外围直径差的范围为15
‑
20mm，具体可以为15mm、16mm、17mm、18mm、19mm或20mm。在一具体实施例中，第二钻头520和第一钻头510的外围直径差为19mm。
59.进一步地，第一钻头510的外围直径为72
‑
77mm，具体可以为72mm、73mm、74mm、75mm、76mm或77mm。第二钻头520的外围直径为92
‑
96mm，具体可以为92mm、93mm、94mm、95mm或96mm。在一具体实施例中，第一钻头510的外围直径为73mm，第二钻头520的外围直径为94mm。
60.在一些实施例中，相邻两个钻头组件500的中心点之间的距离与第二钻头520的外围直径满足如下关系式：
61.6≤l
‑
d
×
2≤10，
62.其中，l为相邻两个钻头组件500的中心点之间的距离，mm；d为第二钻头520的外围直径，mm。
63.钻头组件500的中心点也即第一钻头510的中心点。在一具体实施例中，相邻两个钻头组件500的中心点之间的距离为200mm，第二钻头520的外围直径为94mm。
64.如图2和图3所示，在本公开一些实施例中，顶板切缝装置还包括旋转机构600。旋转机构600连接于多个钻臂110背离多个钻杆400的一侧，旋转机构600用于与移动机构连接，并带动支撑组件100旋转。优选地，旋转机构600连接于多个钻臂110的中部。在实际作业中，旋转机构600带动支撑组件100旋转，以调整钻头组件500与顶板之间的夹角，从而满足不同的切缝需求。在此需说明的是，当移动机构包含与顶板切缝装置适配的旋转机构时，本
公开的顶板切缝装置也可以不包含旋转机构600，而是直接连接至移动机构的旋转机构上。
65.进一步地，顶板切缝装置还包括连接板700。连接板700连接于多个钻臂110和旋转机构600之间。在一些实施例中，多个钻臂110共同连接于同一块连接板700，连接板700连接于多个钻臂110的中部。多个钻臂110通过第一固定板200、连接板700和第二固定板120稳固连接于一起。连接板700可以是单层板状结构，也可以是多层板状结构，具体本公开不做限定。
66.本公开还提供一种顶板切缝方法，采用上述任一实施例中的顶板切缝装置，该方法包括：
67.步骤s100，第一次钻进，将多个钻头组件同时钻进顶板中，于顶板内形成多个第一钻孔；
68.步骤s200，第二次钻进，将钻头组件沿所述第一方向平移，并将多个钻头组件同时钻进相邻两个第一钻孔之间的顶板中，于顶板内形成多个第二钻孔。
69.本公开提供的顶板切缝装置适用于密集钻孔方式。下面将结合具体实施例说明顶板切缝装置的钻孔切缝作业过程。
70.如图1和图6所示，在该实施例中，顶板切缝装置包括四个钻头组件500、四个钻杆400、四个钻臂110和四个钻机300。相邻两个钻头组件500的中心点之间的距离为200mm，第一钻头510的外围直径为75mm，第二钻头520的外围直径为94mm。相邻两个钻杆400的中轴线之间的距离为200mm，且相邻两个钻臂110的中轴线之间的距离也为200mm。在顶板切缝时，采用密集钻孔方式，一组切缝由8个钻孔10组成，分两次钻进。具体地，第一次钻进时，四个钻头组件500同时钻进，在顶板内形成四个钻孔10，即第一钻孔，每个钻孔10的最终直径大致为94mm，相邻两个钻孔10的中心点之间的距离为200mm。第一钻进完毕后，顶板切缝装置沿第一次钻孔10的排列方向平移100mm，进行第二次钻进，形成另外的四个钻孔10，即第二钻孔。在该实施例中，最终形成8个钻孔10，且相邻两个钻孔10之间的距离为6mm，完成了顶板范围800mm的定向切缝作业。该实施例只需通过两次钻进工艺，即可形成800mm的切缝，无需炸药聚能爆破，操作简单且安全系数高。
71.此外，在实际密集钻孔方式中，容易出现穿孔现象。穿孔是指在进行第二次或后续钻进工序时，后续形成的钻孔10穿过了之前形成的钻孔10。相关技术中，初次钻孔10和扩孔分两次进行。当进行第二次钻进时，通常在进行专门的扩孔阶段时，才会发现是否有穿孔状况。而在该实施例中，由于钻头组件500包括第一钻头510和第二钻头520，且第二钻头520的直径大于第一钻头510的直径，钻孔10和扩孔同时进行。因此，在进行第二次钻进作业时，通过第二钻头520与顶板之间的作用力，可及时发现是否有穿孔现象，从而提高密集钻孔的准确度，节省密集钻孔时间，并进一步提高切缝效率。
72.应可理解的是，本公开不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本公开能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本公开的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本公开延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本公开的多个可替代方面。本说明书的实施方式说明了已知用于实现本公开的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本公开。