用于连续钻孔成槽的钻头定位装置及钻机、连续钻孔方法与流程

1.本发明涉及用于连续钻孔成槽的钻头定位装置及钻机、连续钻孔方法。


背景技术：

2.在硬岩隧道掘进施工过程中，往往较为迫切的需要在掌子面处开凿临空面，以破坏硬岩的完整性，降低硬岩的结构强度，进而降低掘进施工的难度，提高施工效率。目前，普遍采用的临空面成型方式一般为潜孔钻连续钻孔成槽，但是在连续钻孔成槽的过程中，每打一个孔都需要施工人员对打孔的位置进行重新定位，定位时间长，打孔效率低。而且在钻孔成槽时，相邻两孔之间有重叠部分，钻头在对第一个之后的其他孔进行施钻的过程中，侧向一部分接触岩石，另一部分悬空，这样就造成钻头在钻进时受阻不均匀，而钻杆悬伸长度较长会构成挠性结构，最后就会导致发生偏孔现象，降低了连续钻孔成槽的质量，同时造成钻头的偏磨、钻杆弯折的问题，给临空面的施工造成很大的困难。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种用于连续钻孔成槽的钻头定位装置，能够用于钻机上，用以解决现有的钻机在连续钻孔时，打孔效率低、打孔质量差、钻头易损坏的问题。同时，本发明还提供了一种包含上述钻头定位装置的钻机，以解决现有的钻机在连续钻孔成槽的过程中，打孔效率低、钻头易损坏的问题。此外，本发明还提供了一种连续钻孔方法，用以解决现有的连续钻孔成槽方法，打孔效率低的问题。
4.本发明的用于连续钻孔成槽的钻头定位装置的技术方案：本发明的用于连续钻孔成槽的钻头定位装置包括：支撑连接架，用于固定连接在钻机悬臂的前端；支撑连接架上设有转动支撑结构，用于供钻机的钻杆穿过并对钻杆进行转动支撑；定位机构安装结构，设置于支撑连接架上，处于转动支撑结构的径向旁侧，有一个或两个以上；钻头定位机构，固定安装在定位机构安装结构上，包括用于伸入钻孔中与钻孔的孔壁定位配合以确定钻出下一个钻孔时钻头的对应位置的定位头。
5.在通过钻机连续钻孔成槽时，在施工面上钻出第一个钻孔后，通过本发明的钻头定位装置中的钻头定位机构与已经钻出的钻孔的孔壁之间的配合，能够确定即将加工的下一个钻孔的施钻位置，且通过转动支撑结构能够保证钻杆在钻进过程中不发生挠性变形，因此本发明的钻头定位装置不仅能够方便的根据前一个钻孔确定后一定钻孔的施钻位置，大大提高了打孔效率，而且能够在钻进过程中保证钻杆不会发生挠性变形，保证了打孔成槽的质量。
6.进一步的，所述支撑连接架上设有用于抵紧施工面以降低钻机悬臂振动的减震头。通过减震头的设置，能够降低在施钻过程中钻机悬臂的振动，能够提升钻孔质量。
7.进一步的，所述减震头包括固定连接在支撑连接架上的安装基座以及设置在安装基座端部的橡胶垫，减震头通过所述橡胶垫与施工面抵紧。采用橡胶垫与施工面抵紧，一方面能够通过橡胶垫的变形性能适应表面不规则的施工面以便于抵紧，另外通过橡胶垫抵紧施工面也能够更好的进行减震。
8.作为一种优化的方案，所述转动支撑结构为沿钻进方向延伸的转动支撑套。通过转动支撑套能够对钻杆的靠近钻头的一端进行支撑，如此就能够避免钻杆悬伸长度过长而在施钻过程中发生挠性变形的现象，保证了钻孔质量，避免钻杆弯折损坏。
9.进一步的，所述转动支撑套有两个以上，且在钻进方向上间隔布置。在钻进方向上的多点支撑能够更好的对钻杆进行转动支撑，避免钻杆的挠性变形。
10.进一步的，所述支撑连接架包括在钻机悬臂的悬伸方向间隔布置的两个主架板，转动支撑套有两个，且分别固定在两个主架板上。这样能够减轻钻头定位装置的整体重量，削减悬臂的弯矩。
11.作为另一种优化的方案，所述钻头定位结构还包括定位头驱动机构，定位头驱动机构传动连接于定位头，并带动定位头在钻进方向上伸缩。如此在施工面上加工第一个钻孔时，通过定位头驱动机构将定位头缩回，在加工后续的钻孔前，通过定位头驱动机构驱动定位头伸出与已经加工好的钻孔定位配合确定后一个钻孔的施钻位置，钻孔定位较为方便。
12.进一步的，所述定位机构安装结构包括沿钻进方向延伸的安装管，定位头驱动机构可拆连接在安装管的背向钻进方向的一端，定位头处于安装管内且被定位头驱动机构带动在安装管内导向移动。通过安装管的设置，不仅能够保证定位头具有确定的位置，而且能够对定位头提供一定的支撑力，以在定位头与钻孔孔壁配合时保证支撑连接架与钻孔之间具有相对确定的位置。
13.进一步的，所述定位头为定位杆，定位杆的直径小于钻孔的直径，且定位杆的背向钻头的侧面与钻头之间的距离小于钻孔的直径。如此定位头不会干涉相连两个截面相交而连通的钻孔的加工。
14.进一步的，所述安装管有两个，两个安装管与所述转动支撑结构在垂直于钻进方向的截面上呈l形布置。这样能够将钻头定位机构安装在两个安装管中，既能够在加工横向连续的钻孔时进行定位，还能够在加工纵向连续的钻孔时进行定位，使用起来更加方便。
15.本发明的钻机的技术方案：本发明的钻机包括车体以及安装在车体上的施钻工具，所述施钻工具包括悬臂以及配置于悬臂上的钻进驱动装置和钻具，钻具包括钻杆和钻头，所述悬臂的端部固定连接有钻头定位装置；其中，钻头定位装置包括：支撑连接架，用于固定连接在钻机悬臂的前端；支撑连接架上设有转动支撑结构，用于供钻机的钻杆穿过并对钻杆进行转动支撑；定位机构安装结构，设置于支撑连接架上，处于转动支撑结构的径向旁侧，有一个或两个以上；钻头定位机构，固定安装在定位机构安装结构上，包括用于伸入钻孔中与钻孔的
孔壁定位配合以确定钻出下一个钻孔时钻头的对应位置的定位头。
16.在通过本发明的钻机连续钻孔成槽时，在施工面上钻出第一个钻孔后，通过钻头定位装置中的钻头定位机构与已经钻出的钻孔的孔壁之间的配合，能够确定即将加工的下一个钻孔的施钻位置，且通过转动支撑结构能够保证钻杆在钻进过程中不发生挠性变形，因此本发明的钻头定位装置不仅能够方便的根据前一个钻孔确定后一定钻孔的施钻位置，大大提高了打孔效率，而且能够在钻进过程中保证钻杆不会发生挠性变形，保证了打孔成槽的质量。
17.进一步的，所述支撑连接架上设有用于抵紧施工面以降低钻机悬臂振动的减震头。通过减震头的设置，能够降低在施钻过程中钻机悬臂的振动，能够提升钻孔质量。
18.进一步的，所述减震头包括固定连接在支撑连接架上的安装基座以及设置在安装基座端部的橡胶垫，减震头通过所述橡胶垫与施工面抵紧。采用橡胶垫与施工面抵紧，一方面能够通过橡胶垫的变形性能适应表面不规则的施工面以便于抵紧，另外通过橡胶垫抵紧施工面也能够更好的进行减震。
19.作为一种优化的方案，所述转动支撑结构为沿钻进方向延伸的转动支撑套。通过转动支撑套能够对钻杆的靠近钻头的一端进行支撑，如此就能够避免钻杆悬伸长度过长而在施钻过程中发生挠性变形的现象，保证了钻孔质量，避免钻杆弯折损坏。
20.进一步的，所述转动支撑套有两个以上，且在钻进方向上间隔布置。在钻进方向上的多点支撑能够更好的对钻杆进行转动支撑，避免钻杆的挠性变形。
21.进一步的，所述支撑连接架包括在钻机悬臂的悬伸方向间隔布置的两个主架板，转动支撑套有两个，且分别固定在两个主架板上。这样能够减轻钻头定位装置的整体重量，削减悬臂的弯矩。
22.作为另一种优化的方案，所述钻头定位结构还包括定位头驱动机构，定位头驱动机构传动连接于定位头，并带动定位头在钻进方向上伸缩。如此在施工面上加工第一个钻孔时，通过定位头驱动机构将定位头缩回，在加工后续的钻孔前，通过定位头驱动机构驱动定位头伸出与已经加工好的钻孔定位配合确定后一个钻孔的施钻位置，钻孔定位较为方便。
23.进一步的，所述定位机构安装结构包括沿钻进方向延伸的安装管，定位头驱动机构可拆连接在安装管的背向钻进方向的一端，定位头处于安装管内且被定位头驱动机构带动在安装管内导向移动。通过安装管的设置，不仅能够保证定位头具有确定的位置，而且能够对定位头提供一定的支撑力，以在定位头与钻孔孔壁配合时保证支撑连接架与钻孔之间具有相对确定的位置。
24.进一步的，所述定位头为定位杆，定位杆的直径小于钻孔的直径，且定位杆的背向钻头的侧面与钻头之间的距离小于钻孔的直径。如此定位头不会干涉相连两个截面相交而连通的钻孔的加工。
25.进一步的，所述安装管有两个，两个安装管与所述转动支撑结构在垂直于钻进方向的截面上呈l形布置。这样能够将钻头定位机构安装在两个安装管中，既能够在加工横向连续的钻孔时进行定位，还能够在加工纵向连续的钻孔时进行定位，使用起来更加方便。
26.本发明的连续钻孔方法的技术方案：本发明的连续钻孔方法包括以下步骤：
在施工面上钻出第一个钻孔；通过钻机悬臂上的处于钻头径向旁侧的定位头与第一个钻孔的孔壁定位配合确定下一个钻孔的施钻位置，然后进行施钻，且使连续钻出的两个钻孔截面相交而连通；通过钻机悬臂上的处于钻头径向旁侧的定位头与已经钻好的钻孔的孔壁定位配合确定下一个钻孔的施钻位置，然后进行施钻，且使连续钻出的两个钻孔截面相交而连通。
27.采用本发明的连续钻孔方法，能够通过定位头与已经钻出的钻孔的定位配合，确定下一个钻孔的施钻位置，钻孔定位方便快捷，大大提高了钻孔效率。
28.进一步的，通过圆杆作为定位头与已经钻好的钻孔的孔壁定位配合确定下一个钻孔的施钻位置。圆杆通过其外周面与钻孔的孔壁配合时，配合面积较大，定位稳定性较好，而且圆杆自身具有一定的结构强度，能够通过与钻孔孔壁的配合为悬臂的前端提供一定的支撑。
29.进一步的，在钻孔时，通过钻机悬臂上的减震头抵紧施工面以起到减震效果。如此能够降低施钻时钻机悬臂前端的振动幅度，提高钻孔质量。
附图说明
30.图1为本发明的钻机的实施例一的结构示意图；图2为图1中悬臂前端位置的结构放大图；图3为钻头定位装置的结构示意图（未显示钻头定位机构）；图4为本发明的钻机在连续钻孔时的示意图；图5为显示连续钻孔成槽的部分过程的示意图。
31.图中：1、车体；101、钻进驱动装置；102、支撑臂；11、悬臂；12、钻杆；13、钻头；2、支撑连接架；21、主架板；22、转动支撑套；30、液压缸；31、定位杆；33、安装管；34、连接法兰；40、安装基座；41、橡胶垫；9、施工面；91、第一钻孔；910、第一定位孔壁；92、第二钻孔；920、第二定位孔壁；93、第三钻孔。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
33.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
34.需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述
要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
35.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
36.本发明的钻机的具体实施例一：本实施例的钻机为凿岩台车，如图1
‑
3所示，包括车体1以及安装在车体1上的施钻工具，施钻工具包括主驱台架，主驱台架上通过支撑臂102支撑有悬臂11，悬臂11上配置有钻进驱动装置101和钻具，钻具包括钻杆12和安装在钻杆12前端的钻头13，钻进驱动装置101能够驱动钻杆12和钻头13进行钻进动作，主驱台架通过支撑臂102能够带动悬臂11调整钻孔的位置。
37.悬臂11的前端部还固定连接有钻头13定位装置，钻头13定位装置包括支撑连接架2，支撑连接架2包括两个在钻进方向上相对间隔布置的主架板21，两个柱架板上分别固定设置有转动支撑套22。两个主架板21上的转动支撑套22同轴布置，且轴线沿钻进方向延伸。两个转动支撑套22供钻杆12穿过，钻杆12在转动钻进时，转动支撑套22对钻杆12的前端提供转动支撑。本实施例中，两个主架板21上分别设有弧形凹槽，两个主架板21上还分别对应于两个弧形凹槽的槽口活动安装有弧形限位板，弧形限位板和弧形凹槽围成安装孔，转动支撑套22可从轴向装入安装孔中，也可在打开弧形限位板时从径向装入安装孔，便于拆装。转动支撑套22与弧形限位板或者弧形凹槽中的至少一个之间有轴向相对固定的结构设置，例如通过挡止配合等手段。当然，在其他实施例中，也可以直接在两个主架板上分别开设贯通孔，转动支撑套22轴向固定的安装在贯通孔中。
38.支撑连接架2上还设置有定位机构安装结构，定位机构安装结构用于固定安装钻头13定位机构。定位机构安装结构有两个，均处于转动支撑套22的径向旁侧，且一个定位机构安装结构处于转动支撑套22的水平一侧，另一个定位机构安装结构处于转动支撑套22的竖向下方，两个定位机构安装结构与转动支撑结构在垂直于钻进方向的截面上呈l形布置。
39.定位机构安装结构包括沿钻进方向延伸的安装管33，安装管33固定穿装在两个主架板21上且两端均伸出对应的主架板21，安装管33的背向钻头13的一端固定有连接法兰34。钻头13定位机构包括驱动油缸，驱动油缸的缸体通过连接法兰34与安装管33固定连接，驱动油缸的动作输出端伸入安装管33内，且连接有定位头。驱动油缸作为定位头驱动机构，能够带动定位头相对安装管33在钻进方向上伸缩动作。
40.本实施例中，定位头为定位杆31，定位杆31为圆杆结构。定位杆31与安装管33导向滑动配合，如此安装管33能够对定位杆31起到一定的支撑作用。
41.支撑连接架2的朝向钻头13的一侧，即靠近钻头13的主架板21的前侧板面上还固定连接有减震头。减震头包括固定连接在支撑连接架2上的安装基座40以及设置在安装基座40端部的橡胶垫41，减震头用于在施钻的过程中通过橡胶垫41抵紧施工面9以降低钻机悬臂11的振动。
42.另外，结合图2
‑
3，安装管33穿装于支撑连接架2的两个主架板21且与两个主架板21固定连接，即两个主架板21通过与安装管33固定连接而保持相对固定。两个主架板21中靠近车体1的一个的下端呈u形且插装在悬臂11上，两个主架板21中靠近钻头13的一个的下端为平板结构，且固定连接在悬臂11的前端面上。减震头在钻进方向上与悬臂11相对应。
43.使用本发明的钻机进行连续钻孔成槽施工时，如图4
‑
5，采用如下施工方法：首先在钻机的上位机上输入预计开槽的位置及大小，从而规划钻孔的路径；
钻孔前，首先通过主驱台架驱动悬臂11运动至指定位置，进行初次定位，悬臂11运动带动减震头抵紧掌子面，此时定位杆31处于安装管33内；钻头13朝向掌子面施钻，钻得第一钻孔91；钻杆12从钻孔中退出，调整悬臂11的位置，驱动油缸带动定位杆31伸出安装管33，并进入第一钻孔91中，定位杆31贴紧第一钻孔91的下侧孔壁，即第一定位孔壁910，减震头抵紧掌子面，启动钻机进行第二钻孔92的施钻并钻的第二钻孔92，第一钻孔91与第二钻孔92的截面相交而连通；钻杆12从钻孔中退出，调整悬臂11的位置，驱动油缸带动定位杆31伸出安装管33，并进入第二钻孔92中，定位杆31贴紧第二钻孔92的与第 一钻孔91连通位置两侧的孔壁，即第二定位孔壁920，减震头抵紧掌子面，启动钻机进行第三钻孔93的施钻并钻得第三钻孔93，第二钻孔92与第三钻孔93的截面相交而连通；重复上述步骤即可实现连续钻孔成槽。
44.根据上文介绍的本实施例的钻机，在需要在竖向方向上连续钻孔时，在处于钻头13下方的定位机构安装结构上安装钻头13定位机构，如此能够从下向上在一条直线上连续钻孔，如果需要在水平方向上连续钻孔，将钻头13定位机构安装于处于钻头13水平一侧的定位机构安装结构上。而且基于上述实施例中定位机构安装结构的布置位置，也可以实现z形槽的连续钻孔成型。
45.通过以上对于连续钻孔成槽施工方法的介绍也能够更加准确的理解钻机的结构特点。通过以上施工方法的介绍可知，前后钻出的两个钻孔截面相交而连通，那么在施钻的过程中，钻头13与定位杆31之间不希望也不能发生干涉，因此钻头13与定位杆31之间具有间隔，而且为了便于定位杆31伸入钻孔中，定位杆31的直径小于钻孔即钻头13的直径，且定位杆31的直径大于前后两钻孔连通位置处的通道的宽度。
46.通过以上对本实施例的钻机以及连续钻孔施工方法的介绍可知，本发明的钻机通过钻头定位机构能够轻松方便的实现在连续钻孔过程中对施钻位置的定位，而且通过支撑连接架上的转动支撑套对钻杆的前端进行转动支撑，能够避免因钻杆悬伸过长而形成挠性结构，进而在施钻过程中造成偏孔或钻杆弯折，保证了钻孔成槽的质量。
47.当然，本发明的钻机并不仅限于上文介绍的实施例。上述实施例中，通过转动支撑套构成用于转动支撑钻杆的转动支撑结构，在其他实施例中，转动支撑结构可以有一个，且由两个或三个以上弧形支撑片围成，各弧形支撑片在圆周方向上均匀间隔布置，其围成的内部通道供钻杆穿过。
48.在其他实施例中，与上述介绍的实施例不同的是，定位头为轴线沿钻进方向延伸的弧形板，弧形板通过其外弧面与钻孔的孔壁定位配合；或者定位头为多个在圆周方向间隔布置的定位叉臂，定位叉臂的长度方向沿钻进方向延伸，多个定位叉臂与钻孔孔壁的不同位置贴合实现定位。
49.或者，在其他实施例中，与上述介绍的实施例不同的是，减震头为刚性的锥形顶尖，锥形顶尖顶紧压入施工面内实现对悬臂整体的减震；或者，减震头具有朝向施工面的凹凸不平的顶压面，通过凹凸不平的顶压面顶紧在施工面上，减震头能够与施工面通过凹凸配合保持相对固定，进而起到减震效果。
50.再或者，在其他实施例中，与上述介绍的实施例不同的是，支撑连接架包括两个以
上在钻进方向上间隔布置的主架板，各主架板通过沿钻进方向延伸的连接杆固定连接成整体结构，定位机构安装结构以及转动支撑结构固定在至少部分主架板上；或者，支撑连接架为块体结构。
51.在其他实施例中，安装管可以有一个，且处于转动支撑结构的斜下方或斜上方；或者安装管有多个，且围绕转动支撑结构布置；钻头定位机构的数量与定位机构安装结构的数量相等，且一一对应安装在定位机构安装结构上。
52.本发明的用于连续钻孔成槽的钻头定位装置的具体实施例，其具体结构以及工作原理与上文中钻机的实施例中的钻头定位装置的结构以及工作原理相同，本文不再赘述。
53.本发明的连续钻孔方法的具体实施例一，其与上文介绍的连续钻孔成槽施工方法相同。在其他实施例中，在施钻过程中可以不再通过减震头进行减震；也可通过沿钻进方向延伸的弧形板与钻孔的孔壁定位配合确定下一个钻孔的施钻位置；再通过钻好的孔进行定位时，可以以上一个钻孔为基准定位下一个钻孔的施钻位置，也可以以钻好的其他钻孔为基准定位下一个钻孔的施钻位置。
54.以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。