CN112483006A - 一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头及其使用方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头，包括钻筒(3)，所述钻筒(3)的顶端设置有用于与钻机相连的连接部(1)，所述钻筒(3)的外壁设置有螺旋片(2)，所述钻筒(3)的底端设置有环状刀盘(5)，所述环状刀盘(5)的底端设置有破岩部(6)，所述环状刀盘(5)的侧壁设置有用于容纳内置径向刀具(4)的第一凹槽，所述第一凹槽上活动覆盖有盖板(18)。本发明还公开了一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头的使用方法和应用。本发明可以实现在岩石中钻进带螺纹的钻孔，适用于干冰致裂和传统CO2气爆的钻孔工作，带有螺纹的钻孔在加入封孔剂后可以实现更好的封孔，可以有效的减少冲孔现象的发生，保证干冰致裂破岩工作的安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头及其使用方法和应用，属于旋挖钻机技术领域。
背景技术
旋挖钻机是一种成孔作业的施工机械，其原理是靠动力头驱动钻杆，实现钻具回转切削岩土，然后提升至孔外卸土，经周期性循环作业直至成孔；目前旋挖钻多是采用单一的钻头碎石方式进行钻孔，常用的钻头包括斗齿钻头，截齿钻头和牙轮钻头。
但是目前所有旋挖钻机钻头都无法实现在岩石中钻进带螺纹的钻孔。而在将干冰致裂破岩技术应用于隧道掌子面掘进施工时，由于岩石较硬且必须横向钻孔，加之钻孔长度不足导致封孔工作困难，且冲孔现象时有发生，对隧道内人和物的安全造成极大威胁。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以施工带有螺纹的岩石钻孔的旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头。
同时，本发明提供一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头的使用方法。
同时，本发明提供一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头在隧道干冰致裂破岩封孔、CO2气爆封孔、煤矿钻孔测瓦斯封孔以及测水钻孔封孔中的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头，包括钻筒，所述钻筒的顶端设置有用于与钻机相连的连接部，所述钻筒的外壁设置有螺旋片，所述钻筒的底端设置有环状刀盘，所述环状刀盘的底端设置有破岩部，所述环状刀盘的侧壁设置有用于容纳内置径向刀具的第一凹槽，所述第一凹槽上活动覆盖有盖板；
所述内置径向刀具为活动滚刀，所述活动滚刀包括固定在所述第一凹槽底面的底座，所述底座顶面设置有呈二级阶梯状的第二凹槽，内活动轴的底端位于所述第二凹槽内，所述内活动轴的底面设置有用于防止所述内活动轴从所述第二凹槽内弹出的挡块；所述内活动轴顶端连有注铅轴，所述底座顶面与所述注铅轴底面之间的所述内活动轴外设置有弹性元件；所述注铅轴上设置有外刀轮和内刀轮，所述第一凹槽内设置有上表面与所述外刀轮相适配的托盘。
所述内活动轴与所述注铅轴为一体化结构。
所述弹性元件包括弹簧。
所述盖板包括不锈钢片，所述盖板与所述第一凹槽通过螺栓连接；所述破岩部包括斗齿、截齿或牙轮。
所述弹簧的弹性系数确定公式为：
其中，k为弹簧的弹性系数，n为钻头转速，r0为不受力情况下弹簧原始长度，r为转速为n时弹簧长度。
当弹簧的弹性系数确定后，由弹簧的极限拉伸长度rmax，原始长度r0可知，弹簧的最大弹力为Fmax＝k(rmax-r0)，而弹簧的极限弹力为FJ＝Fmax/0.8；所述注铅轴的重量选择方法为，k≥5mπ2nmax 2，式中，k为弹簧的弹性系数，nmax为钻头最大转速。
所述注铅轴为圆柱体，所述注铅轴的表皮为锰铁合金，所述注铅轴的内部注铅。
所述内刀轮包括固定包覆于所述注铅轴外表面的连接环，所述连接环的外表面一体连接有若干刀体，所述刀体的自由端一体连接有刀刃，全部所述刀体和刀刃形成锯齿状；所述刀刃)的材质为含钴5～10％的碳化钨合金，硬度HRA90.0～90.6；所述刀体和刀刃表面加工有若干60°斜角纹路。
一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：将钻头的连接部与钻机连接，打开钻机的转动开关，检查钻头是否有松动或接触不良，并对需要钻孔的点进行标记；
步骤二：根据岩石坚硬程度选用斗齿钻头或牙轮钻头，在标记的点向水平或任意角度钻孔；
步骤三：当钻头钻进至要求深度后，关闭钻机的转动开关，直接退出钻头，将不锈钢片取下，再打开钻机的转动开关进行调试；
步骤四：将钻头伸入钻孔内长度为一固定值处，打开钻机的转动开关，设置转速为大于600r/min，由于离心力作用，活动滚刀在径向上加工出螺纹，加工完成停止转动；
步骤五：再向下一固定值处加工螺纹，依次伸入固定值处直至到达所需位置，完成后停止转动；
步骤六：将钻头退出，将不锈钢片重新安装上，进行下一个孔的钻孔工作。
一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头在隧道干冰致裂破岩封孔、CO2气爆封孔、煤矿钻孔测瓦斯封孔以及测水钻孔封孔中的应用。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头及其使用方法和应用，环状刀盘上有对称的两只破岩部，在对岩石进行钻孔作业时，首先仅使用环状刀盘上的斗齿用于钻进，当达到预定深度时停钻，将不锈钢片取下，再将钻头由上及下每隔一段距离高速旋转使内置径向刀具在离心力的作用下切割钻孔内壁，使此段钻孔直径增大，然后停止钻头旋转，在弹簧弹力作用下内置径向刀具缩回，可以伸至下一个需要扩孔的位置。本钻孔可以实现在岩石中钻进带螺纹的钻孔，适用于干冰致裂和传统CO2气爆的钻孔工作，带有螺纹的钻孔在加入封孔剂后可以实现更好的封孔，可以有效的减少冲孔现象的发生，保证干冰致裂破岩工作的安全。
附图说明
图1是本发明的钻头的结构示意图；
图2是图1的仰视图；
图3是本发明掘进状态下的钻头结构图；
图4是本发明旋转施工螺纹钻孔时的钻头结构图；
图5是本发明中内置径向刀具的结构示意图；
图6为本发明中底座的结构示意图；
图7为本发明中内刀轮的结构示意图；
图8为本发明中刀体和刀刃表面的60°斜角纹路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头及其使用方法和应用作进一步详细说明。
实施例1：
如图1和图2所示，一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头，包括连接部1、螺旋片2、钻筒3、内置径向刀具4、环状刀盘5、破岩部6和中空腔体17；所述钻筒3的顶端设置有用于与钻机相连的连接部1，所述钻筒3的外壁设置有螺旋片2，所述钻筒3的内部为中空腔体17，所述钻筒3的底端设置有环状刀盘5，所述环状刀盘5的底端设置有破岩部6，破岩部6包括斗齿、截齿或牙轮；所述环状刀盘5的侧壁设置有用于容纳内置径向刀具4的第一凹槽，所述第一凹槽上活动覆盖有盖板18。
所述连接部1用于连接钻头与钻机并传动，所述螺旋片2可以减少旋挖钻头掘进的阻力，所述钻筒3和中空腔体17可以容纳岩心，所述内置径向刀具4用于施工螺纹，所述环状刀盘5用于承载所述破岩部6和容纳所述内置径向刀具4，其厚度比钻筒3厚10mm，所述破岩部6用于加工钻孔，其可以致裂岩体并在岩体内掘进。
如图3和图4所示，所述钻头分为两种形态，图3为掘进状态下的钻头的内置径向刀具4被不锈钢片(即盖板18)挡住，而图4为在旋转施工螺纹钻孔时的钻头的内置径向刀具4要打开，所以需要打开不锈钢片；连接部1与钻筒3顶面之间设置有若干楔形的支撑板19。
如图5所示，所述内置径向刀具4为活动滚刀，包括外刀轮11、限位壁20、内刀轮12、注铅轴9、内活动轴21，弹性元件10和托盘13，所述外刀轮11用于径向破岩，所述外刀轮11采用硅钢合金制成强度高、韧性好；所述限位壁20用于限位活动滚刀的位移，防止其左右晃动，所述限位壁20为第一凹槽的内壁；所述内刀轮12用于径向扩孔，所述注铅轴9既可以用于固定内活动轴21和活动滚刀刀体(即外刀轮11和内刀轮12)，也可以使重心在上部，所述内活动轴21可以限制活动滚刀径向位移，所述弹性元件10可以在钻机停转后使活动滚刀回位。所述弹性元件10优选为弹簧。
具体地，所述活动滚刀包括固定在所述第一凹槽底面的底座7，所述底座7顶面设置有呈二级阶梯状的第二凹槽，所述内活动轴21的底端位于所述第二凹槽内，所述内活动轴21的底面设置有用于防止所述内活动轴21从所述第二凹槽内弹出的挡块8；所述内活动轴21顶端连有注铅轴9，所述底座7顶面与所述注铅轴9底面之间的所述内活动轴21外设置有弹性元件10；所述注铅轴9上设置有外刀轮11和内刀轮12，所述第一凹槽内设置有上表面与所述外刀(11相适配的托盘13。
如图6所示，弹簧与注铅轴9和底座7之间用氩弧焊22进行焊接，内活动轴21底部焊接有挡块8，可以防止内活动轴21弹出，内活动轴21与注铅轴9为一体化结构。
在加工螺纹时，钻头高速旋转产生离心力Fn＝4π2Mn2d其中M为活动滚刀重量，n为钻头转速，d为活动滚刀至钻头端部中心的距离，只要M、n足够大，Fn大于岩石破碎所需的力Fk时，即可致裂岩石并加工螺纹。
优选地，所述斗齿适用于中硬和偏软岩石的掘进，当岩石硬度高时斗齿难以碎岩，可以将斗齿换成牙轮，可以有效钻进；
所述弹簧的弹性系数确定公式为：
其中，k为弹簧的弹性系数，n为钻头转速，r0为不受力情况下弹簧原始长度，r为转速为n时弹簧长度。
注铅轴的选型主要考虑弹簧的弹性系数约束条件，弹簧的极限载荷对于本装置的实现和工作安全都至关重要。当弹簧的弹性系数确定后，由弹簧的极限拉伸长度rmax，原始长度r0可知，弹簧的最大弹力为Fmax＝k(rmax-r0)，而弹簧的极限弹力为FJ＝Fmax/0.8；所述注铅轴9的重量选择方法为，k≥5mπ2nmax 2，式中，k为弹簧的弹性系数，nmax为钻头最大转速。
所述注铅轴9为圆柱体，所述注铅轴9的表皮为锰铁合金，所述注铅轴9的内部注铅。
如图7所示，所述内刀轮12由四个部分组成，分别为刀刃16、刀体15、连接环14和注铅轴9，所述刀刃16部分使用材料为含钴5％-10％的碳化钨合金，硬度HRA90.0-90.6，碳化钨合金可以很好地承受冲击，而较低的含钴量可以让刀刃具有更好地耐磨性，所述刀体15使用材料为碳化钨，所述连接环14可以实现注铅轴9与刀体15之间的连接。
具体地，所述内刀轮12包括固定包覆于所述注铅轴9外表面的连接环14，所述连接环14的外表面一体连接有若干刀体15，所述刀体15的自由端一体连接有刀刃16，全部所述刀体15和刀刃16形成锯齿状，刀体15的个数优选为3个。
如图8所示，所述刀体15和刀刃16表面加工出60°斜角纹路，有利于增大摩擦力，提高破岩效率，同时有利于开缝。
实施例2：
一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头的使用方法，包括以下步骤：
S1、将本钻头的连接部1与钻机连接，打开钻机的转动开关，检查钻头是否有松动或接触不良，对需要钻孔的点进行标记；
S2、根据岩石坚硬程度选用斗齿钻头或牙轮钻头，在标记的点向水平或任意角度，设置转速为26r/min，
S3、当钻进至要求深度后，关闭转动开关，可以直接退出钻头，将不锈钢片取下，再打开转动开关进行调试，
S4、将钻头伸入钻孔内长度为10cm处，打开转动开关，设置转速为600r/min，由于离心力作用，活动滚刀在径向上加工出长度为4cm进尺为3cm的螺纹，加工完成停止转动，
S5、再向下10cm处加工螺纹，依次伸入10cm直至到达所需位置，完成后停止转动，
S6、将钻头退出，将不锈钢片重新安装上，进行下一个孔的钻孔工作。
实施例3：
一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头在隧道干冰致裂破岩封孔、CO2气爆封孔、煤矿钻孔测瓦斯封孔以及测水钻孔封孔中的应用。
由于隧道施工的需要，钻孔方向必须与隧道掘进方向平行或接***行，且钻进长度需小于1.5m，在内壁处小于1m，所以钻进带螺纹的钻孔可以极大增加封孔材料与钻孔壁之间的摩擦阻力，可以更好地封孔，且可以有效减少冲孔现象的发生。
带螺纹钻孔技术不仅可以应用于隧道干冰致裂破岩技术，也可以应用于传统CO2气爆技术、煤矿钻孔测瓦斯封孔、测水钻孔封孔等诸多封孔技术领域，应用广泛。
实施例4：
浙江桐庐县石柱山隧道是宣桐高速的一部分，隧道施工总长度为200米左右，岩质为高强度凝灰岩，强度接近100MPa，由于东面隧道施工距离民房仅100m左右，且使用***需要专门建设***临时储存库，建设费用高昂，且对于周边居民的正常生活影响大，故不适宜使用***破岩。
使用干冰致裂破岩技术有诸多好处，首先干冰致裂筒的聚能剂无***危险，不受管控便于运输和使用，使用粒度为2mm的干冰粉，避免了高压液态CO2运输充装中极易发生的***危险，同时干冰致裂破岩振动远小于***对周围岩体和民房扰动小。
但是在隧道干冰致裂破岩的封孔工艺相比于一般工地干冰致裂破岩的封孔工艺更难以达到封孔要求，主要原因有；沿水平方向封孔，所用封孔材料难以灌入；封孔长度短，1.2m的钻孔除去0.5m的干冰致裂管长度仅余0.7m的封孔长度；岩石强度高，引爆产生的高压气体会从薄弱处突出，岩石强度高会使得封孔位置成为相对弱处。上述原因造成冲孔现象的发生，对施工现场的人和物的安全造成极大隐患。
鉴于此，需要增大封孔段的摩擦力，考虑到传统钻孔技术所加工的钻孔十分光滑，故选用速干水泥作为封孔材料难以提供足够的封孔强度，易发生冲孔。所以采用螺纹孔钻孔封孔工艺成为首选防冲孔方法。
实施方案：
一、选定爆点，用红漆标记好，将旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头安装好进行调试，确认其各项指标正常；
二、设置转速为60r/min，通过旋挖钻机钻头前端牙轮破岩钻进至长度为1.2m处，完成后关闭开关，钻头停止旋转；
三、取出不锈钢片，检查钻机状态，先调试一下看停止旋转后，活动滚刀是否回位；
四、将钻头伸入钻孔10cm处，开动钻机，设置转速为600r/min，保持转速3分钟，加工出宽4cm进尺3cm的螺纹，完成后停止转动滚刀回位；
五、完成一次螺纹施工后再伸入10cm，重复第四步的工序，依次操作，直至加工至70cm处，共加工5个螺纹；
六、放入干冰致裂筒，使用速干水泥进行封孔，包好水泥用带橡胶头的木棒捣入钻孔，等待30分钟，待速干水泥凝固后引爆干冰致裂筒，完成破岩。
说明：以上情况仅是以一个钻孔为例，在实际施工中，可以先用钻机完成所有钻孔工作后再进行加工螺纹工作，或者两台钻机同时工作，一台钻机钻孔，一台钻机加工螺纹，可以使破岩工作效率极大提高。
实施例5：
本实施例与实施例2的区别仅在于：
S4、将钻头伸入钻孔内长度为15cm处，打开转动开关，设置转速为800r/min。
S5、再向下15cm处加工螺纹，依次伸入15cm直至到达所需位置，完成后停止转动。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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发明和简化描述，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发明的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头，其特征在于，包括钻筒(3)，所述钻筒(3)的顶端设置有用于与钻机相连的连接部(1)，所述钻筒(3)的外壁设置有螺旋片(2)，所述钻筒(3)的底端设置有环状刀盘(5)，所述环状刀盘(5)的底端设置有破岩部(6)，所述环状刀盘(5)的侧壁设置有用于容纳内置径向刀具(4)的第一凹槽，所述第一凹槽上活动覆盖有盖板(18)；
所述内置径向刀具(4)为活动滚刀，所述活动滚刀包括固定在所述第一凹槽底面的底座(7)，所述底座(7)顶面设置有呈二级阶梯状的第二凹槽，内活动轴(21)的底端位于所述第二凹槽内，所述内活动轴(21)的底面设置有用于防止所述内活动轴(21)从所述第二凹槽内弹出的挡块(8)；所述内活动轴(21)顶端连有注铅轴(9)，所述底座(7)顶面与所述注铅轴(9)底面之间的所述内活动轴(21)外设置有弹性元件(10)；所述注铅轴(9)上设置有外刀轮(11)和内刀轮(12)，所述第一凹槽内设置有上表面与所述外刀轮(11)相适配的托盘(13)。
2.根据权利要求1所述的一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头，其特征在于，所述内活动轴(7)与所述注铅轴(9)为一体化结构。
3.根据权利要求1所述的一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头，其特征在于，所述弹性元件(10)包括弹簧。
4.根据权利要求1所述的一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头，其特征在于，所述盖板(18)包括不锈钢片，所述盖板(18)与所述第一凹槽通过螺栓连接；所述破岩部(6)包括斗齿、截齿或牙轮。
5.根据权利要求3所述的一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头，其特征在于，所述弹簧的弹性系数确定公式为：
其中，k为弹簧的弹性系数，n为钻头转速，r0为不受力情况下弹簧原始长度，r为转速为n时弹簧长度。
6.根据权利要求5所述的一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头，其特征在于，当弹簧的弹性系数确定后，由弹簧的极限拉伸长度rmax，原始长度r0可知，弹簧的最大弹力为Fmax＝k(rmax-r0)，而弹簧的极限弹力为FJ＝Fmax/0.8；所述注铅轴(9)的重量选择方法为，k≥5mπ2nmax 2，式中，k为弹簧的弹性系数，nmax为钻头最大转速。
7.根据权利要求1所述的一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头，其特征在于，所述注铅轴(9)为圆柱体，所述注铅轴(9)的表皮为锰铁合金，所述注铅轴(9)的内部注铅。
8.根据权利要求1所述的一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头，其特征在于，所述内刀轮(12)包括固定包覆于所述注铅轴(9)外表面的连接环(14)，所述连接环(14)的外表面一体连接有若干刀体(15)，所述刀体(15)的自由端一体连接有刀刃(16)，全部所述刀体(15)和刀刃(16)形成锯齿状；所述刀刃(16)的材质为含钴5～10％的碳化钨合金，硬度HRA90.0～90.6；所述刀体(15)和刀刃(16)表面加工有若干60°斜角纹路。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将钻头的连接部(1)与钻机连接，打开钻机的转动开关，检查钻头是否有松动或接触不良，并对需要钻孔的点进行标记；
步骤二：根据岩石坚硬程度选用斗齿钻头或牙轮钻头，在标记的点向水平或任意角度钻孔；
步骤三：当钻头钻进至要求深度后，关闭钻机的转动开关，直接退出钻头，将不锈钢片取下，再打开钻机的转动开关进行调试；
步骤四：将钻头伸入钻孔内长度为一固定值处，打开钻机的转动开关，设置转速为大于600r/min，由于离心力作用，活动滚刀在径向上加工出螺纹，加工完成停止转动；
步骤五：再向下一固定值处加工螺纹，依次伸入固定值处直至到达所需位置，完成后停止转动；
步骤六：将钻头退出，将不锈钢片重新安装上，进行下一个孔的钻孔工作。
10.根据权利要求1～8任意一项所述的一种旋挖钻机岩石螺纹孔钻孔钻头在隧道干冰致裂破岩封孔、CO2气爆封孔、煤矿钻孔测瓦斯封孔以及测水钻孔封孔中的应用。
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