一种适用于煤炭开采的钻岩装置的制作方法

1.本实用新型涉及煤炭开采技术领域，尤其涉及一种适用于煤炭开采的钻岩装置。


背景技术：

2.向地球深部探求矿产资源是大势所趋，其中煤炭开采深度以每年平均近20m的速度增加，浅部煤炭资源日益枯竭，深部开采将成为煤炭资源开发的常态。其中在开采钻岩过程中常利用风动锚杆钻机和高压水射流破岩等作为钻岩设备，但是随着开采深度的增加，深部地层岩石的硬度、弹性模量及破坏强度随之不断增大，岩石抗压强度可达100mpa以上，导致风动锚杆钻机钻进过程中钎杆和刀具受到的冲击及磨损急速增加，易引发钎杆断裂及钻头损坏，大大降低了其破岩能力及效率。同时破岩过程中伴生的粉尘恶化了井下生态环境，由于井下空间有限，仅靠人工通风难以快速将污浊空气净化至清洁空气的标准，对施工人员健康有不同程度的损害。现场实践表明，仅通过增加钻机功率，不但不会增加钻孔效率，且会导致钻头磨损加剧，因此，仅通过增加钻机功率难以有效提升钻孔破岩效率。
3.而高压水射流破岩为利用高速水流冲击破碎岩石，可辅助降低钻头受力，在一定程度上提高破岩能力，延长钻头使用寿命。但是，常规的高压水射流辅助装备往往存在以下问题：连续高压水射流仅产生单一的“水锤压力”，后续的“滞止压力”难以加剧岩石内部破裂，导致破岩效率不佳；高压水射流辅助装备常利用高压水泵及增压器等构件以产生高压水流，产生的水射流不稳定难以有效辅助降低钻头受力情况。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中存在的高压水射流辅助装备产生的水射流不稳定，难以有效的辅助降低钻头受力情况，无法有效提升钻孔破岩效率的技术问题，本实用新型提出了一种将高压水射组件融入气动破岩组件组合成的适用于煤炭开采的钻岩装置，可有效提升高压水射组件产生的水射流稳定性，有效辅助气动破岩组件可有效提升钻岩效率。
5.本实用新型实施例提供了一种适用于煤炭开采的钻岩装置，包括：
6.气动破岩组件，其包括壳体、设置在所述壳体内的水力加速组件和气流转通组件；其中所述气流转通组件与所述壳体连接；
7.高压水射组件，其包括水源与冲压组件；所述冲压组件设置在所述壳体内部并位于所述水力加速组件的下游；所述水力加速组件将所述水源冲入所述冲压组件内，所述冲压组件汇集所述水源；和
8.包含有水道的钻头；所述钻头与所述冲压组件连接，所述水源经过所述冲压组件汇集后通过所述钻头的水道对岩石冲击并带动所述钻头机械破岩。
9.在一些实施例中，所述冲压组件包括冲压器和依次首尾相连的集水器、弹性蓄水器和水收冲击器；在所述壳体的长度方向上，所述水源的入口设置在所述壳体上并位于所述水力加速组件的一侧；所述集水器的输入端位于所述水源的入口远离所述水力加速组件的一侧，所述集水器的输出端连接所述弹性蓄水器；所述水收冲击器的输出端连接所述钻
头；所述冲压器的一端设置在所述壳体内且另一端间歇性挤压接触所述弹性蓄水器。
10.在一些实施例中，在所述壳体的长度方向上，所述壳体内部设置第一限位板和第二限位板将所述壳体分割为第一腔室、第二腔室和第三腔室；其中所述冲压组件设置在所述第三腔室内；所述水源的入口设置在所述第三腔室的侧壁上。
11.在一些实施例中，所述水力加速组件包括第一加速组件和第二加速组件；其中所述第一加速组件位于所述第一腔室内包括第一活塞和位于所述第一活塞一侧的钎杆；所述第一活塞在所述第一腔室内往复运动；所述钎杆靠近所述第一活塞的一端在所述第一腔室内往复运动；其远离所述第一活塞的另一端可穿过所述第二限位板在所述第一腔室内和所述第二腔室内往复运动；所述第二加速组件位于所述第二腔室内，其包括第二活塞；所述第二活塞与所述钎杆连接并在所述第二腔室内往复运动。
12.在一些实施例中，所述第一加速组件包括第一弹性元件，所述第一弹性元件与所述钎杆的一端连接并位于所述钎杆和所述第一活塞之间；所述第二加速组件包括第二弹性元件，所述第二活塞与所述钎杆连接通过所述第二弹性元件连接。
13.在一些实施例中，所述气流转通组件包括气源、气路转换件、第一进气管、第二进气管和排气管；所述气源通入所述气路转换件中；所述气路转换件的输出端分别连接所述第一进气管和所述第二进气管；所述第一进气管将气体通入所述第一腔室内的一侧；所述第二进气管的另一端连通所述第一腔室且位于所述钎杆和所述第一活塞均运动到所述第一腔室另一侧极限处之间；所述排气管的一端连通所述第一腔室中部并位于所述第一活塞远离所述第一进气管的一侧，另一端连通外部空气。
14.在一些实施例中，所述气路转换件包括进气端、第一输出端、第二输出端和阀芯；所述进气端连接所述气源；所述第一输出端连接所述第一进气管；所述第二输出端连接所述第二进气管；所述阀芯通过所述进气端或第二输出端输入的气体转动，并改变气源的通路。
15.在一些实施例中，所述集水器的输入端面积大于输入端面积，且所述集水器的输出端设置防逆流阀。
16.在一些实施例中，所述冲压器包括在所述壳体高度方向上相对设置的电子伸缩杆以及缓冲包头；其中所述电子伸缩杆一端设置在所述壳体的内壁上，其另一端设置所述缓冲包头；所述缓冲包头根据所述电子伸缩杆的伸缩活动间歇性挤压接触所述弹性蓄水器。
17.在一些实施例中，所述弹性蓄水器的输入端面积大于输出端面积且具有一定容纳空间的弹性结构。
18.相对于现有技术，本实用新型的有益效果为：
19.本实用新型实施例中适用于煤炭开采的钻岩装置气源风动能转化为水力脉冲能量及冲击机械能，提高了硬岩的钻进速率；且高压水射流辅助装备能产生稳定且喷射量相同的水射流，进而有效的辅助降低钻头受力的情况，从而提高了钻头破岩能力，延长了钻头的使用寿命；同时钻岩装置中的水射流可降低了钻进过程中的粉尘浓度，达到了净化煤矿井下空气的目的。
附图说明
20.本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将
变得明显和容易理解，其中：
21.图1为本实用新型一个实施例的钻岩装置的结构示意图；
22.图2为本实用新型一个实施例的钻岩装置的结构示意图
23.图3本实用新型一个实施例的冲压组件的结构示意图；
24.图4为本实用新型一个实施例的气路转换件的一种工作原理示意图；
25.图5为本实用新型一个实施例的气路转换件的另一种工作原理示意图。
26.附图标记说明：
27.钻岩装置100；
28.气动破岩组件1；
29.壳体10；第一限位板101；第二限位板102；第一腔室103；第二腔室104；第三腔室105；
30.水力加速组件11；第一加速组件111；第一活塞1111；钎杆1112；第一弹性元件1113；第二加速组件112；第二活塞1121；第二弹性元件1122；
31.气流转通组件12；气源121；气路转换件122；进气端1221；第一输出端1222；第二输出端1223；阀芯1224；第一进气管123；第二进气管124；排气管125；
32.高压水射组件2；
33.冲压组件20；冲压器201；电子伸缩杆2011；缓冲包头2012；集水器202、弹性蓄水器203、水收冲击器204；
34.水源21；
35.钻头30。
具体实施方式
36.下面详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
37.下面参照附图1-5所示描述根据本实用新型实施例提出的一种适用于煤炭开采的钻岩装置100。
38.具体的如图1所示，本实用新型实施例提供了一种适用于煤炭开采的钻岩装置100，包括气动破岩组件1、高压水射组件2和包含有水道的钻头30；其中气动破岩组件1包括壳体10、设置在壳体10内的水力加速组件11和气流转通组件12；其中气流转通组件12与壳体10连接；高压水射组件2包括水源21与冲压组件20；冲压组件20设置在壳体10内部并位于水力加速组件11的下游，其中水力加速组件11将水源21冲入冲压组件20内，冲压组件20用于汇集水源21；钻头30与冲压组件20连接，水源21经过冲压组件20汇集后通过钻头30的水道对岩石冲击并带动钻头30机械破岩。本实施例中将气源风动能转化为水力脉冲能量及冲击机械能，并佐以高压水射流辅助装备能产生稳定且喷射量相同的水射流，进而有效的辅助降低钻头30受力的情况，从而提高了钻头30破岩能力；此外还可降低钻进过程中的粉尘浓度，达到了净化煤矿井下空气的目的。
39.便于本领域技术人员进行理解，以壳体10的长度方向与左右方向一致、高度方向
与上下方向一致为例进行以下说明，且左右方向和上下方向如图2中所指方向。
40.如图2所示，壳体10内部从左到右依次设置第一限位板101和第二限位板102，将壳体10从左到右依次分为第一腔室103、第二腔室104、第三腔室105。其中第一限位板101和第二限位板102的上下两端均与壳体10内壁固定连接；且第一限位板101和第二限位板102上均具有通孔。
41.水力加速组件11包括第一加速组件111和第二加速组件112；第一加速组件111设置在第一腔室103内，其包括第一活塞1111和位于第一活塞1111右侧的钎杆1112。具体地，钎杆1112包括竖端和横端，呈“t”形状横置在第一腔室103内部，即钎杆1112的竖端与壳体10的长度方向垂直并靠近第一活塞1111，即钎杆1112的横端与壳体10的长度方向平行并靠近第二加速组件112。
42.本领域技术人员可理解的，第一活塞1111和钎杆1112可以在第一腔室103内部左右滑动，当钎杆1112向右侧运动时，钎杆1112的横端可以穿出第一限位板101上通孔由第一腔室103进入第二腔室104，并推动第二活塞1121在第二腔室104内向右运行，直至钎杆1112的竖端与第一限位板101接触，因第一限位板101对钎杆1112的竖端进行限位使其不能穿出第一腔室103，此时钎杆1112向右侧运动到极限。
43.第二腔室104内设置第二活塞1121，第二活塞1121的一端与钎杆1112连接，第二活塞1121可根据钎杆1112的运动在第二腔室104内左右往复运动，且第二活塞1121向左侧运动时直至与第一限位板101的右侧接触，此时第二活塞1121向左侧运动到极限，第一限位板101限制第二活塞1121进入第一腔室103内；当第二活塞1121向右侧运动时直至与第二限位板102的左侧接触，此时第二活塞1121向右侧运动到极限，第二限位板102对第二活塞1121进行限位，防止限制第二活塞1121进入第三腔室105中水源21的进水口出，从而导致水流入第二腔室104情况的发生。
44.在一些实施例中，第一加速组件111包括第一弹性元件1113，第一弹性元件1113与钎杆1112的一端连接并位于钎杆1112和第一活塞1111之间。
45.可以理解的是，第一弹性元件1113可以是弹簧或其他合适弹性材质，在钎杆1112的左端连接设置第一弹性元件1113以缓冲第一活塞1111的冲击力，避免第一活塞1111直接撞击钎杆1112，造成第一活塞1111的损坏。
46.在一些实施例中，第二活塞1121的左端与钎杆1112的右端之间设置第二弹性元件1122，第二活塞1121的一端与钎杆1112连接通过第二弹性元件1122连接，即第二弹性元件1122的两端分别与钎杆1112和第二活塞1121连接。
47.可以理解的是，第二弹性元件1122可以是弹簧或其他合适弹性材质，第二弹性元件1122用于接收钎杆1112的动力并转换为弹性势能。
48.在一些实施例中，第二活塞1121安装有密封槽。可以理解的是，第二活塞1121用于挤压水，密封槽的设置可以用来防止水流到第二活塞1121左侧。
49.在一些实施例中，气流转通组件12包括气源121、气路转换件122、第一进气管123、第二进气管124和排气管125；气源121通入气路转换件122中；气路转换件122的输出端分别连接第一进气管123和第二进气管124；第一进气管123将气体通入第一腔室103内的一侧；第二进气管124的另一端连通第一腔室103且位于钎杆1112和第一活塞1111均运动到第一腔室103另一侧极限处之间；排气管125的一端连通第一腔室103中部并位于第一活塞1111
远离第一进气管123的一侧，另一端连通外部空气。
50.具体的如图1和图2所示，气路转换件122包括进气端1221、第一输出端1222、第二输出端1223和阀芯1224，气源121通过气路转换件122为第一活塞1111提供动力，即：气源121(图中向下的箭头处)可通过操纵阀气孔连接进气管道进入气路转换件122的进气端1221，此时可根据阀芯1224的状态将进入的气源121通入与第一输出端1222连接第一进气管123或与第二输出端1223连接第二进气管124。
51.可理解的，阀芯1224通过进气端1221或第二输出端1223输入的气体进行转动，此部分为本领域阀门中常见的设置不再赘述。但是需要说明的是气路转换件122的工作原理示意图如图4所示，气体从第一输出端1222流出(气体流动如箭头所示)；例如图5所示，气体从第二输出端1223流出)(气体流动如箭头所示)。结合图2所示，气路转换件122的第一输出端1222连接第一进气管123，第一进气管123的另一端穿过壳体10设置在第一活塞1111左侧；气路转换件122的第二输出端1223连接第二进气管124，当气源121推动第一活塞1111和钎杆1112均运动到第一腔室103右侧极限位置时，排气管125和第二进气管124连通第一腔室103的一端分别位于第一活塞1111的左侧以及第一活塞1111和钎杆1112之间。
52.在一些实施例中，冲压组件20包括冲压器201和依次首尾相连的集水器202、弹性蓄水器203和水收冲击器204；在壳体10的长度方向上，水源21的入口设置在壳体10上并位于水力加速组件11的一侧；集水器202的输入端位于水源21的入口远离水力加速组件11的一侧，集水器202的输出端连接弹性蓄水器203；水收冲击器204的输出端连接钻头30；冲压器201的一端设置在壳体10内且另一端间歇性挤压接触弹性蓄水器203。
53.具体的如图2和图3所示，冲压组件20设置在第三腔室105内，在第三腔室105内从左到右依次设置集水器202、弹性蓄水器203和水收冲击器204，集水器202的输出端连接弹性蓄水器203的输入端；弹性蓄水器203的输出端连接水收冲击器204的输入端，水收冲击器204的输出端连接钻头30的水道。其中冲压器201包括在壳体10高度方向上相对设置的电子伸缩杆2011以及缓冲包头2012；其中电子伸缩杆2011一端设置在壳体10的内壁上，其另一端设置缓冲包头2012；缓冲包头2012根据电子伸缩杆2011的伸缩活动间歇性挤压接触弹性蓄水器203。
54.具体的，集水器202的输入端位于水源21接入口的右侧，其中水源21接入口位于第二限位板102的右侧即具体为，水源21的接入口设置在第二限位板102和集水器202之间。水源21接入第三腔室105的方法和装置有多种，例如水源21的接入口连接有进水管，进水管的另一端连接水泵，水泵和进水管之间设置水阀。水泵31用于抽取水，可以采用低压水泵，水阀32用于控制进水管33的水流速度。
55.需要说明的是缓冲包头2012可间歇性挤压接触弹性蓄水器203，其中在壳体10高度方向上相对设置的电子伸缩杆2011为同步动作，即一同伸出或收缩，实现缓冲包头2012同时对触弹性蓄水器203进行挤压，且缓冲包头2012为不易形变的软质材料制成，不会对触弹性蓄水器203，造成机械划伤。此外并且电子伸缩杆2011的伸出利用缓冲包头2012挤压接触弹性蓄水器203与第二活塞1121向右侧挤压水的动作同步，即二活塞1121向右侧运动将水压入集水器202并从进入弹性蓄水器203后，缓冲包头2012接触并挤压弹性蓄水器203。
56.本实施例中可利用水力加速组件11中的第二活塞1121在第二腔室104内往复运动使得进入第三腔室105内的水在第二活塞1121的冲击下进入集水器202，优选的集水器202
的输入端的横截面积大于输入端的横截面积，且集水器202的横截面面积从左到右边逐渐缩减，实现了水汇聚。且在一些实施例中集水器202的输出端设置防逆流阀，可防止水倒流。
57.在一些实施例中，弹性蓄水器203的输入端面积大于输出端面积且具有一定容纳空间的弹性结构。即在工作过程中，水从弹性蓄水器203的左端流向弹性蓄水器203的右端，弹性蓄水器203的输入端面积大于输出端面积，实现了水力和水量的第二次汇聚。且弹性蓄水器203内的水经过缓冲包头2012间歇性挤压，由弹性蓄水器203输出端的水经过不断的憋压-释放-憋压-释放，形成水力和水量均稳定的水力脉冲，实现了水力能量的第三次汇聚。
58.此处需要说明的是由于集水器202的输出端设置防逆流阀，可防止水倒流，因此弹性蓄水器203中的水只能通过输出端流出。
59.在一些实施例中，水收冲击器204的一端与弹性蓄水器203的输出端连接，另一端通过其外部设置的螺纹与钻头30之间螺纹固定连接。
60.本领域技术人员可理解的，钻头30设置在壳体10的最前端，用于机械钻进岩石。优选的，第二收缩管22内部的前端设置弹簧，在弹簧的顶推下，可控制进刀量使得进刀相对缓和和平稳，避免损坏钻头30。本实施例中的气源如高压气体对水产生周期性压缩作用，水经过水力加速组件11，形成周期性水力脉冲，水力脉冲作用于钻头30，对钻头30施加周期性冲击作用力，改善了钻头30与岩石的受力状态，使钻头30在旋转的同时还具有振动冲击效应。钻机旋转冲击钻进时，未破碎的岩石处于紧张的压应力状态，当岩石受到周期性冲击作用后更容易破碎，提高了气动机械破岩的作用效率。此外水力脉冲也可转化为水力射流作用于岩石，对岩石起到一定的软化作用，在一定程度上降低了岩石的破坏强度，同时，水力射流对岩石起到一定的割裂作用，岩石抗压不抗拉，更有利于气动钻机的机械破岩作用。
61.以下将对本实用新型实施例的运行原理进行说明：
62.启动水泵打开水阀，水通过进水口进入第二腔室104内，而后打开气源121的操作阀，气源121如高压气体从操纵阀气孔流出，可通过调节操纵阀气孔调节流入的气体以此调整水力脉冲大小及频率。高压气体通过进气管道从气路转换件122的进气端1221流入，同时阀芯1224将气路转换件122的第二输出端1223封堵，高压气体进入第一活塞1111左侧的空间并推动第一活塞1111向右侧运动，当第一活塞1111向右运动到排气管125的右侧时，高压气体从排气管125逸出，同时，第一活塞1111继续向右侧运动，随着第一活塞1111挤压第一腔室103内的空气，使得部分空气从第二进气管124流向气路转换件122，并作用于气路转换件122，此时，阀芯1224将第一输出端1222封堵，而高压气体从第二输出端1223通过第二进气管124进入第一腔室103，此时，第一活塞1111向右侧运动到极限位置并与钎杆1112接触，推动钎杆1112向右侧运动。
63.高压气体从第二进气管124进入第一腔室103后推动第一活塞1111向左侧运动，当第一活塞1111运动到排气管125左侧时，高压气体从排气管125逸出，此时，第一活塞1111继续向左侧运动，在第一活塞1111向左侧运动的过程中挤压第一腔室103内部的空气，使得部分空气从第一进气管123流向气路转换件122并作用于气路转换件122，使得阀芯1224将第二输出端1223封堵，此时第一活塞1111向左侧运动到极限位置，高压气体从气路转换件122的第一输出端1222进入第一活塞1111左侧的空间，推动第一活塞1111向右侧运动，对钎杆1112实施再次冲击。重复上述过程使得第一活塞1111在第一腔室103内往复运动。
64.向右侧运动的钎杆1112接触第二活塞1121，携带高冲击能量的第二活塞1121向右
侧运动挤压第二腔室104中的水，当第二活塞1121在第二腔室104内停止运动时，第二弹性元件1122被压缩至最短，此时，存储的弹性势能最大。随后，第二弹性元件1122释放弹性势能，推动钎杆1112向左侧运动，并在第一腔室103左侧停下，此时，钎杆1112回程，完成依次往复运动，等到第一活塞1111的下一次冲击。
65.第二活塞1121向右侧运动挤压第二腔室104中的水流经集水器202实现水流的初次收拢及能量的汇聚，随后水经过弹性蓄水器203，实现水力的第二次能量汇聚，在电子伸缩杆2011的作用下弹性蓄水器203内的水经过缓冲包头2012间歇性挤压，由弹性蓄水器203输出端的水经过不断的憋压-释放-憋压-释放，形成水力和水量均稳定的水力脉冲，实现了水力能量的第三次汇聚。
66.之后，水通过水收冲击器204，实现水力能量的第四次汇聚并经过钻头30水道形成水力射流冲击岩石。由于水力脉冲作用于水收冲击器204的前端水收冲击器204带动钻头30产生振动冲击力并作用于岩石，产生机械破岩作用。这一冲击过程实现了气动能到水力脉冲和机械冲击能量的转化。此过程产生的水力脉冲作用于岩石可产生周期性的“水锤压力”，冲击岩石产生应力波，应力波在岩石内部产生干涉，加剧岩石的破坏程度；同时，水力脉冲带动钻头30产生机械振动冲击，最终达到提高岩石钻进效率的效果。
67.该装置通过水力脉冲直接作用于钻头30，减少了当前旋转冲击器中常采用的易于破损的冲击锤等器具，提高了系统的安全性和可靠性。同时引入水力加速装置，避免了使用沉重的高压水泵或者增压器具，装备整体轻便，有效提高了硬岩的破岩速度，将气动能转化为水力脉冲能量及机械能更有利于煤矿现场中硬岩的破碎。
68.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
69.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。在本实用新型的描述中，“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。
70.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。