一种水力钻冲开采与充填机器人及作业方法

1.本发明涉及水力钻冲开采领域，具体涉及一种水力钻冲开采与充填机器人及作业方法，适用于倾斜薄煤层流态化绿色开采与充填、保护层开采以及瓦斯抽采大直径钻孔。


背景技术：

2.能源工业是国民经济的基础产业，也是技术密集型产业。“安全、高效、低碳”集中体现了现代能源技术的特点，也是抢占未来能源技术制高点的主要方向。未来发展要求以增强自主创新能力为着力点，用无限的科技解决有限能源与资源的约束，着力提高能源资源的安全、高效开发，推动能源生产和利用方式的变革，规划将能源勘探和开采技术作为四个重点发展领域之一，明确要求研发复杂地质条件下资源安全、高效、节约、环境友好型开采技术与装备，如复杂的倾斜薄煤层流态化绿色开采与充填、保护层开采以及瓦斯抽采大直径钻孔等。
3.在现有的技术中，复杂的倾斜薄煤层、保护层仍没有很好的开采技术和装备，瓦斯抽采钻孔直径小、卸压效果差、抽采效率低，现有的纯机械化钻采装备不具备充填功能，煤岩机械化截割还易造成瓦斯爆炸之类重大事故，因此不利于矿体资源安全高效绿色开采。


技术实现要素：

4.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种水力钻冲开采与充填机器人及作业方法，其能够充分利用高压水射流粉碎能力强特点，联合水力钻冲头机械破碎煤层，实现薄煤层流态化绿色开采与充填、保护层开采以及瓦斯抽采大直径钻孔等施工。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
6.本发明提供一种水力钻冲开采与充填机器人及作业方法，包括设有移动机构、地锚装置、支撑稳定机构的主机架，所述主机架上铰接有能够调整起升高度的推进导向装置；
7.所述推进导向装置上滑动连接回转驱动机构，所述回转驱动机构输出端连接双层嵌套钻杆，所述双层嵌套钻杆端部设有水力钻冲头；
8.所述主机架上还设有用于控制回转驱动机构移动的推进油缸；
9.所述水力钻冲头上设有交叉钻孔射流、周向交叉扩孔射流、以及对称顺层冲蚀射流；
10.所述交叉钻孔射流、周向交叉扩孔射流用于联合水力钻冲头的机械齿在钻进时粉碎煤层；所述对称顺层冲蚀射流用于钻退时粉碎煤层；
11.所述水力钻冲头、双层嵌套钻杆内部设有用于提供水流的内部流道和用于运输粉碎煤水混合物和填充物的外环流道；所述回转驱动机构前端设有连通外环流道的充填接头和排渣接头；所述排渣接头管路连通排渣泵，所述充填接头管路连通充填泵；内部流道连通高压水泵；
12.所述推进导向装置前端还设有用于夹紧双层嵌套钻杆的夹紧机构。
13.优选地，所述水力钻冲头包括第一内杆、第一外筒以及设在两者中部将两者连接
起来的的第一稳定梁，所述第一外筒的外壁上设有机械扩孔盘；
14.所述水力钻冲头的前端设有机械钻孔端盘；
15.所述机械钻孔端盘设有若干交叉钻孔射流喷嘴、钻孔机械齿、周向交叉扩孔射流喷嘴以及边缘机械齿；
16.机械扩孔盘内锥侧安装有若干边缘刮刀、扩孔刮刀以及对称顺层冲蚀射流喷嘴；
17.交叉钻孔射流喷嘴喷水形成交叉钻孔射流，周向交叉扩孔射流喷嘴喷水形成周向交叉扩孔射流，对称顺层冲蚀射流喷嘴喷水形成对称顺层冲蚀射流。
18.优选地，所述机械钻孔端盘内部设有连通交叉钻孔射流喷嘴和周向交叉扩孔射流喷嘴的钻扩孔射流水道；
19.所述第一内杆中空设置并且其前端设有连通钻扩孔射流水道的内锥出水口；
20.第一外筒前侧设有排渣充填口，排渣充填口连通第一内杆与第一外筒之间形成的环形空间；机械扩孔盘上设有与对称顺层冲蚀射流喷嘴连通的对称顺层冲蚀射流水道，所述对称顺层冲蚀射流水道与第一内杆内的中空部分连通并通过高低压转换开关装置控制其是否通水；
21.水力钻冲头内的内部流道包括钻扩孔射流水道、内锥出水口、第一内杆的中空部分以及对称顺层冲蚀射流水道；
22.水力钻冲头内的外环流道包括第一内杆与第一外筒之间形成的环形空间。
23.优选地，所述高低压转换开关装置包括在第一内杆的中空部分滑动连接的高低压转换阀芯；
24.所述高低压转换阀芯包括粗杆部和用于放置恢复弹簧的细杆部，所述恢复弹簧能够抵在第一内杆中空部分的上端；
25.细杆部的上端设有外锥面，所述外锥面与内锥进水口配合用于开闭钻扩孔射流水道，细杆部设有低压出水口用于将低压水引入钻扩孔射流水道；
26.所述粗杆部设有高压出水口用于将高压水引入对称顺层冲蚀射流水道；
27.高压水作用高低压转换阀芯尾部时完全压缩恢复弹簧并关闭内锥进水口，对称顺层冲蚀射流喷嘴开启供水；
28.低压水作用高低压转换阀芯尾部时未完全压缩恢复弹簧，高低压转换阀芯关闭第一内杆内的环状出水口，交叉钻孔射流喷嘴和周向交叉扩孔射流喷嘴开启。
29.优选地，所述双层嵌套钻杆由若干节连接在一起的钻杆单元组成，每节所述钻杆单元包括第二内杆、第二外筒以及将两者固定连接在一起的第二稳定梁，所述第二稳定梁上设有用于安装稳定器的螺栓孔，所述第二内杆为中空设计，其中空部分连通水力钻冲头里第一内杆的中空部分，属于内部流道的一部分，所述第二内杆与第二外筒之间形成的环向腔连通水力钻冲头里第一内杆与第一外筒之间形成的环形空间，属于外环流道的一部分。
30.优选地，所述回转驱动机构前端设有与双层嵌套钻杆适配安装的中心通孔输出轴，回转驱动机构在中心通孔输出轴外围还设有排渣充填回转接头，两者之间配合安装并设有第一密封圈，所述中心通孔输出轴的末端连接有高压回转密封装置并设有第二密封圈，所述中心通孔输出轴的外筒设有连通外环流道的两个对称通孔，两个对称通孔分别连通充填接头和排渣接头；
31.充填接头和排渣接头设在排渣充填回转接头上。
32.优选地，相邻两个所述交叉钻孔射流、周向交叉扩孔射流之间形成的轴线夹角为60
°
。
33.优选地，所述水力钻冲头左右两侧的对称顺层冲蚀射流形成的夹角范围90
°
～180
°
。
34.本发明还提供一种水力钻冲开采与充填机器人的作业方法，包括以下步骤：
35.s1准备作业：控制钻进角度调节油缸使水力钻冲头轴线与煤层方向一致，支撑稳定机构撑紧巷道侧帮，地锚装置锚接在巷道底板；
36.s2钻扩孔开采：推进油缸、回转驱动机构、高压水泵同时工作，设定30mpa以下低水压利用高低压转换阀芯和恢复弹簧开启交叉钻孔射流喷嘴和周向交叉扩孔射流喷嘴；
37.水力钻冲头、双层嵌套钻杆旋转进给，交叉钻孔射流和周向交叉扩孔射流辅助水力钻冲头机械齿和刮刀钻扩孔煤层，粉碎的煤和水混合物由外环流道经排渣接头输送至集渣仓；
38.夹紧机构夹紧双层嵌套钻杆最底端的一节钻杆单元，回转驱动机构反转后退回，接入新的一节钻杆单元并重复上述过程，直到钻扩孔深度达到预定的开采深度；
39.集渣仓内煤和水混合物经脱水筛处理后由输送机输出，脱水筛下部流体经过滤器处理后接高压水泵入水口；
40.s3对称顺层冲蚀开采：控制回转驱动机构使对称顺层冲蚀射流方向朝向煤层，设定60mpa以上高水压利用高低压转换阀芯使对称顺层冲蚀射流喷嘴开启，推进油缸缩回时对称顺层冲蚀射流粉碎的煤和水混合物由外环流道输送至集渣仓，依次拆卸双层嵌套钻杆上的钻杆单元并重复上述过程，直到水力钻冲头退出煤层；
41.s4充填：在步骤3作业过程中，根据需要利用充填泵将充填料仓内充填料由外环流道输送至采空区充填。
42.本发明的有益效果在于：针对倾斜薄煤层流态化绿色开采与充填、保护层开采以及瓦斯抽采大直径钻孔等难题，本发明创造性的将高压水射流技术用于辅助机械钻孔、扩孔以及利用高压水射流冲蚀煤层，并将充填需求集成到水力钻冲开采机器人，合理地将交叉钻孔射流喷嘴、周向交叉扩孔射流喷嘴、对称顺层冲蚀射流喷嘴布置在机械钻冲头上，最大限度地运用高压水射流粉碎煤层能力强等特点，所提出的技术一次采宽大、粉碎能力强、封闭输送与充填的环保性好，解决了倾斜薄煤层和薄保护层开采难、瓦斯突出煤层钻孔卸压直径小等问题。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1是本发明提供的一种水力钻冲开采与充填机器人的结构示意图；
45.图2是本发明提供的水力钻冲头结构图；
46.图3是本发明提供的回转驱动机构剖视图；
47.图4是本发明提供的双层嵌套钻杆剖视图；
48.图5是本发明提供的高低压转换阀芯剖视图；
49.图6是本发明煤层钻孔—扩孔—冲蚀范围示意图。
50.图中：1、移动机构；2、主机架；3、地锚装置；4、支撑稳定机构；5、钻进角度调节油缸；6、推进导向装置；7、推进油缸；8、回转驱动机构；9、高压回转密封装置；10、夹紧机构；11、水力钻冲头；12、双层嵌套钻杆；13、排渣充填回转接头；14、充填阀门；15、充填泵；16、排渣阀门；17、排渣泵；18、交叉钻孔射流；19、周向交叉扩孔射流；20、对称顺层冲蚀射流；21、稳定器；22、集渣仓；23、脱水筛；24、过滤器；25、输送机；26、充填料仓；27、高压水泵；6-1、导轨；8-1、滑动底板；8-2、中心通孔输出轴；8-2-1、对称通孔；8-3、壳体；8-4、第一密封圈；8-5、第二密封圈；11-1、第一内杆；11-2、第一外筒；11-3、机械钻孔端盘；11-4、机械扩孔盘；11-5、第一稳定梁；12-1、第二内杆；12-2、第二外筒；12-5、第二稳定梁；12-6、稳定器；12-7、螺栓孔；13-1、充填接头；13-2、排渣接头；29-1、外锥面；29-2、细杆部；29-3、低压出水口；29-4、高压出水口；29-5、粗杆部；11-1-1、环状出水口；11-3-1、交叉钻孔射流喷嘴；11-3-2、钻孔机械齿；11-3-3、周向交叉扩孔射流喷嘴；11-3-4、边缘机械齿；11-3-5、钻扩孔射流水道；11-3-6、排渣充填口；11-3-7、内锥出水口；11-4-1、边缘刮刀；11-4-2、扩孔刮刀；11-4-3、对称顺层冲蚀射流水道；11-4-4、对称顺层冲蚀射流喷嘴。
具体实施方式
51.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。
52.如图1至图5所示，本发明提供一种水力钻冲开采与充填机器人，包括设有移动机构1、地锚装置3、支撑稳定机构4的主机架2，所述主机架2上铰接有推进导向装置6并通过钻进角度调节油缸5调节其钻进角度；
53.所述推进导向装置6上滑动连接回转驱动机构8，
54.推进导向装置6设导轨6-1，回转驱动机构8底部设与导轨6-1适配的滑动底板8-1；
55.所述回转驱动机构8输出端连接双层嵌套钻杆12，所述双层嵌套钻杆12端部设有水力钻冲头11；
56.所述主机架2上还设有用于控制回转驱动机构8移动的推进油缸7；
57.所述水力钻冲头11上设有交叉钻孔射流18、周向交叉扩孔射流19、以及对称顺层冲蚀射流20；
58.所述交叉钻孔射流18、周向交叉扩孔射流19用于联合水力钻冲头11的机械齿在钻进时粉碎煤层；所述对称顺层冲蚀射流20用于钻退时粉碎煤层；
59.所述水力钻冲头11、双层嵌套钻杆12内部设有用于提供水流的内部流道和用于运输粉碎煤水混合物和填充物的外环流道；所述回转驱动机构8前端设有连通外环流道的充填接头13-1和排渣接头13-2；所述排渣接头13-2管路连通排渣泵17，连接排渣接头13-2的管路上设有排渣阀门16，所述充填接头13-1管路连通充填泵15，该管路上设有充填阀门14；
60.所述推进导向装置6前端还设有用于夹紧双层嵌套钻杆12的夹紧机构10。
61.所述水力钻冲头11包括第一内杆11-1、第一外筒11-2以及设在两者中部将两者连接起来的的第一稳定梁11-5，所述第一外筒11-2的外壁上设有机械扩孔盘11-4；
62.所述水力钻冲头11的前端设有机械钻孔端盘11-3；
63.所述机械钻孔端盘11-3设有若干交叉钻孔射流喷嘴11-3-1、钻孔机械齿11-3-2、周向交叉扩孔射流喷嘴11-3-3以及边缘机械齿11-3-4；
64.机械扩孔盘11-4内锥侧安装有若干边缘刮刀11-4-1、扩孔刮刀11-4-2以及对称顺层冲蚀射流喷嘴11-4-4；
65.交叉钻孔射流喷嘴11-3-1喷水形成交叉钻孔射流18，周向交叉扩孔射流喷嘴11-3-3喷水形成周向交叉扩孔射流19，对称顺层冲蚀射流喷嘴11-4-4喷水形成对称顺层冲蚀射流20。
66.所述机械钻孔端盘11-3内部设有连通交叉钻孔射流喷嘴11-3-1和周向交叉扩孔射流喷嘴11-3-3的钻扩孔射流水道11-3-5；
67.所述第一内杆11-1中空设置并且其前端设有连通钻扩孔射流水道11-3-5的内锥出水口11-3-7；
68.第一外筒11-2前侧设有排渣充填口11-3-6，排渣充填口11-3-6连通第一内杆11-1与第一外筒11-2之间形成的环形空间；机械扩孔盘11-4上设有与对称顺层冲蚀射流喷嘴11-4-4连通的对称顺层冲蚀射流水道11-4-3，所述对称顺层冲蚀射流水道11-4-3与第一内杆11-1内的中空部分连通并通过高低压转换开关装置控制其是否通水；
69.水力钻冲头11内的内部流道包括钻扩孔射流水道11-3-5、内锥出水口11-3-7、第一内杆11-1的中空部分以及对称顺层冲蚀射流水道11-4-3；
70.水力钻冲头11内的外环流道包括第一内杆11-1与第一外筒11-2之间形成的环形空间。
71.所述高低压转换开关装置包括在第一内杆11-1的中空部分滑动连接的高低压转换阀芯29；
72.所述高低压转换阀芯29包括粗杆部29-5和用于放置恢复弹簧28的细杆部29-2，所述恢复弹簧28能够抵在第一内杆11-1中空部分的上端；
73.细杆部29-2的上端设有外锥面29-1，所述外锥面29-1与内锥进水口11-3-7配合用于开闭钻扩孔射流水道11-3-5，细杆部29-2设有低压出水口29-3用于将低压水引入钻扩孔射流水道11-3-5；
74.所述粗杆部29-5设有高压出水口29-4用于将高压水引入对称顺层冲蚀射流水道11-4-3；
75.高压水作用高低压转换阀芯29尾部时完全压缩恢复弹簧28并关闭内锥进水口11-3-7，对称顺层冲蚀射流喷嘴11-4-4开启供水；
76.低压水作用高低压转换阀芯29尾部时未完全压缩恢复弹簧28，高低压转换阀芯29关闭第一内杆11-1内的环状出水口11-1-1，交叉钻孔射流喷嘴11-3-1和周向交叉扩孔射流喷嘴11-3-3开启。
77.所述双层嵌套钻杆12由若干节连接在一起的钻杆单元组成，
78.每节所述钻杆单元包括第二内杆12-1、第二外筒12-2以及将两者固定连接在一起的第二稳定梁12-5，所述第二稳定梁12-5上设有用于安装稳定器12-6的螺栓孔12-7，所述
第二内杆12-1为中空设计，其中空部分连通水力钻冲头11里第一内杆11-1的中空部分，属于内部流道的一部分，所述第二内杆12-1与第二外筒12-2之间形成的环向腔连通水力钻冲头11里第一内杆11-1与第一外筒11-2之间形成的环形空间，属于外环流道的一部分。
79.所述回转驱动机构8前端设有与双层嵌套钻杆12适配安装的中心通孔输出轴8-2，回转驱动机构8在中心通孔输出轴8-2外围还设有排渣充填回转接头13，排渣充填回转接头13与回转驱动机构8的壳体8-3固定，两者之间配合安装并设有第一密封圈8-4，所述中心通孔输出轴8-2的末端连接有高压回转密封装置9并设有第二密封圈8-5，所述中心通孔输出轴8-2的外筒设有连通外环流道的两个对称通孔8-2-1，两个对称通孔8-2-1分别连通充填接头13-1和排渣接头13-2；
80.充填接头13-1和排渣接头13-2设在排渣充填回转接头13上。
81.相邻两个所述交叉钻孔射流18、周向交叉扩孔射流19之间形成的轴线夹角为60
°
。
82.所述水力钻冲头11左右两侧的对称顺层冲蚀射流20形成的夹角范围90
°
～180
°
。
83.本发明还提供一种水力钻冲开采与充填机器人的作业方法，包括以下步骤：
84.s1准备作业：控制钻进角度调节油缸5使水力钻冲头11轴线与煤层方向一致，支撑稳定机构4撑紧巷道侧帮，地锚装置3锚接在巷道底板；
85.s2钻扩孔开采：推进油缸7、回转驱动机构8、高压水泵27同时工作，设定低水压利用高低压转换阀芯29和恢复弹簧28开启交叉钻孔射流喷嘴11-3-1和周向交叉扩孔射流喷嘴11-3-3；低水压指30mpa以下；
86.水力钻冲头11、双层嵌套钻杆12旋转进给，高压水泵27通过内部流道提供水压，交叉钻孔射流18和周向交叉扩孔射流19辅助水力钻冲头11机械齿和刮刀钻扩孔煤层，粉碎的煤和水混合物由外环流道经排渣接头13-2输送至集渣仓22；
87.夹紧机构10夹紧双层嵌套钻杆12最底端的一节钻杆单元，回转驱动机构8反转后退回，接入新的一节钻杆单元并重复上述过程，直到钻扩孔深度达到预定的开采深度；
88.集渣仓22内煤和水混合物经脱水筛23处理后，筛上物由输送机25输出，脱水筛23下部流体经过滤器24处理后接高压水泵27入水口循环利用；
89.s3对称顺层冲蚀开采：控制回转驱动机构8使对称顺层冲蚀射流20方向朝向煤层，设定高水压利用高低压转换阀芯29使对称顺层冲蚀射流喷嘴11-4-4开启，推进油缸7缩回时对称顺层冲蚀射流20粉碎的煤和水混合物由外环流道输送至集渣仓22，依次拆卸双层嵌套钻杆12上的钻杆单元并重复上述过程，直到水力钻冲头11退出煤层；具体冲蚀的区域参见图6；高水压指60mpa以上；
90.s4充填：在步骤3作业过程中，根据需要利用充填泵15将充填料仓26内充填料由外环流道输送至采空区充填。
91.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。