一种矿山超声波破岩设备制造技术

本发明专利技术提供了一种矿山超声波破岩设备，包括超声波生成模块、变幅杆、中空连接件、自由质量、超声钻杆。变幅杆的末端固定在超声波生成模块的前端，中空连接件的两端分别连接变幅杆和超声钻杆，自由质量可在中空连接件中来回振荡。该矿山超声波破岩设备根据逆压电效应利用具有超声频率的高频交流激励电压驱使超声驱动器产生具有超声频率的纵振，这种高频振动经由变幅杆、自由质量和超声钻杆传递至岩石表面，产生具有超声频率的高频动力负荷使岩石破碎。超声振动具有的高频率、高振动力、低振幅的特点，使岩石损伤的累积增长速度较一般疲劳荷载造成的速度快，岩石到达疲劳破坏极限的时间短，具有更高的破岩效率。

An ultrasonic rock breaking equipment in mine

The invention provides a mine ultrasonic rock breaking equipment, which comprises an ultrasonic generating module, an amplitude bar, a hollow connecting piece, a free mass and an ultrasonic drill pipe. The end of the horn is fixed on the front end of the ultrasonic generating module. The ends of the hollow connector are connected with the amplitude pole and the ultrasonic drill rod respectively. The free mass can oscillate back and forth in the hollow connector. The ultrasonic wave breaking equipment in the mine uses the high frequency AC excitation voltage with ultrasonic frequency to drive the ultrasonic driver to produce the longitudinal vibration with supersonic frequency. This high frequency vibration is transmitted to the rock surface via the swing pole, the free mass and the ultrasonic drill rod, producing the high frequency power load with the ultrasonic frequency. The stone is broken. The ultrasonic vibration has the characteristics of high frequency, high vibration power and low amplitude, so that the cumulative growth rate of rock damage is faster than that of general fatigue load, and the time of rock arriving at the limit of fatigue failure is short, and it has higher rock breaking efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种矿山超声波破岩设备
本专利技术涉及矿山破岩设备，尤其涉及一种矿山超声波破岩设备。
技术介绍
掘进和回采是开发利用井下矿产资源的两道基本工序。岩石巷道或坚硬煤巷掘进一般采用钻爆法。采煤工作面坚硬顶煤或坚硬顶煤的弱化处理目前最常用的是水力压裂方法，即回采前在工作面前方开凿深孔，确定压裂段，密封压裂段后向内部注入高压水，进而对煤岩体进行预破裂。无论是巷道的掘进还是顶煤或顶煤的弱化，都需要利用不同型号的钻机进行打孔。常用的钻机打孔方法基于密石核原理，机械驱动直接接触岩石的钻头，并对岩石进行冲击，刮削和剪切。钻杆基本运动方式是冲击和旋转，利用钻杆在凿岩的过程中将岩屑排出。这种破岩装置结构简单，操作方便，破碎岩石速度较快，但其缺点也很明显。一是需要施加一定的轴向力，劳动强度大，而在旋转过程中，钻杆与岩石存在力的相互作用，所产生扭矩易使钻杆跑偏，导向性差，使得在实际施工过程中难以同时保证足够的轴向压力和破岩装置稳定；其次，在钻杆旋转过程中，钻杆与岩石剧烈摩擦，噪声大且粉尘浓烈，工作环境差；再者，钻杆对岩石的适应性差，可钻硬度范围有限，钻孔过程中若遭遇卵石或者局部坚硬变质岩易损坏钻杆，钻头的耗费量大，需频繁更换，导致施工成本高，影响工程进度。随着我国能源需求的日益增加和开采强度的不断加大，浅部的矿产资源日益枯竭，矿产的开发逐渐由浅部转向深部。而深部开采环境的高应力导致围岩的强度比浅部围岩的强度大，进而使开采及各种工程构筑物的建设难度进一步增大，传统的钻孔设备已不能适应新的挑战。
技术实现思路
为了克服现有破岩装置效率低、污染高、耗损高的问题，本专利技术提供了一种矿山超声波破岩设备，该矿山超声波破岩设备根据逆压电效应利用具有超声频率的高频交流激励电压驱使超声驱动器产生具有超声频率的纵振，这种高频振动经由超声钻杆传递至岩石表面，产生具有超声频率的高频动力负荷使岩石破碎。由于超声振动具有高频率、高振动力、低振幅的特点，使岩石损伤的累积增长速度较一般疲劳荷载造成的速度快，岩石到达疲劳破坏极限的时间短，因而具有更高的破碎岩石效率。本明的技术方案具体如下：一种矿山超声波破岩设备，包括超声波生成模块、变幅杆、中空连接件、自由质量、超声钻杆。超声钻杆的末端固定在变幅杆的前端，中空连接件的两端连接变幅杆的前端和超声钻杆的末端。自由质量可在变幅杆的前端和超声钻杆的末端之间来回振荡。优选的，超声波生成模块包括超声波发生器和超声波换能器，超声波发生器与超声波换能器相连，变幅杆的末端固定在超声波换能器的前端，超声波发生器生成高频交流电信号驱动超声波换能器产生超声波。一种超声钻破岩设备，包括依次相连的钻杆和钻头，还包括超声波生成模块、变幅杆、中空连接件、自由质量、超声钻杆、连接杆。连接杆的两端分别固定在变幅杆前端的中央和超声钻杆末端的中央。自由质量为球体，球体可活动的串在连接杆上且连接杆穿过球体的球心。超声波生成模块位于钻杆中部，变幅杆的末端位于钻杆前部。变幅杆的前端穿过钻杆的前端并伸进钻头内。超声钻杆的末端位于钻头内部并与变幅杆的前端相连，超声钻杆的前端从钻头的顶端穿出。优选的，上述超声钻破岩设备还包括注水喷头，注水喷头位于钻头前端侧壁上，注水喷头的喷水方向朝向超声钻杆的前端。优选的，上述超声钻杆由加强型镍铜磁伸缩材料制成，长度为0.5m，截面积为3.14×10-4m2，纵向应变率为3×10-5，弹性模量90GPa。一种顶煤超声弱化设备，包括液压支架掩护梁、液压支架顶梁和上述矿山超声波破岩设备，矿山超声波破岩设备的末端固定在液压支架顶梁的前端。优选的，上述顶煤超声弱化设备还包括注水喷头，注水喷头固定在液压支架顶梁的前端侧壁上，注水喷头的喷水方向朝向矿山超声波破岩设备的超声钻杆的前端。优选的，上述顶煤超声弱化设备还包括调斜装置，所述调斜装置固定在所述液压支架顶梁上。优选的，超声钻杆由镍制磁伸缩材料制成，长度为0.5m，截面积为3.14×10-4m2，纵向应变率为4×10-5，弹性模量为30GPa。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：该矿山超声波破岩设备在破岩的过程中几乎不需要施加轴向力，基本不产生旋转扭矩，因此整个装置运行稳定；该矿山超声波破岩设备超声破岩装置通过超声波使岩石破碎，噪声水平低；该矿山超声波破岩设备破碎岩石对岩石表面施加的载荷小于一般装置对岩石表面施加的载荷，在较小的功率下便可以达到与现有装置相同的破岩效果，破岩效率更高耗能更少；通过在钻头顶端加载超声钻杆，提高了钻进设备在岩石破碎条件较差时的钻进效率；通过对超声钻杆的工作区域注入压力水，激起空化作用使破岩效过，同时，可有效降低粉尘浓度，消除超声破岩过程产生的热效应并可降低作业区域的粉尘，改善工人工作环境。附图说明图1为本专利技术实施例1所述的矿山超声波破岩设备的结构示意图；图2为本专利技术实施例2所述的超声钻破岩设备的结构示意图；图3为本专利技术实施例2所述的超声钻破岩设备的超声钻杆声压分布图；图4为本专利技术实施例3所述的顶煤超声弱化设备的结构示意图；图5为本专利技术实施例3所述的顶煤超声弱化设备的超声钻杆声压分布图；以上图1-5中，1-超声波发生器；2-超声波换能器；3-变幅杆；4-中空连接件；5-超声钻杆；6-球体；7-连接杆；8-钻杆间连接螺母；9-供电导线；10-超声钻机底座；11-连接环；12-钻杆；13-钻头；14-液压支架掩护梁；15-注水喷头；16-液压支架顶梁；17-注水喷头；18-矿山超声波破岩设备；19-调斜装置。具体实施方式：下面参照附图对本专利技术做进一步描述。实施例1如图1所示，一种矿山超声波破岩设备，包括超声波发生器1、超声波换能器2、变幅杆3、中空连接件4、超声钻杆5、球体6。超声波发生器1与超声波换能器2相连，超声钻杆5的末端固定在变幅杆3的前端，中空连接件4的两端连接变幅杆3的前端和超声钻杆5的末端，球体6可在中空连接件4中沿变幅杆3的前端到超声钻杆5的末端的方向来回振荡。使用时，超声波发生器1将市电转换成与超声波换能器2相匹配的高频交流电信号以驱动超声波换能器2工作。在超声波发生器1的驱动下，超声波换能器2将输入的电能转换成超声频率的纵振。这种高频振动通过变幅杆3驱动球体6高频振荡，以将超声能量集中在较小的面积上。球体6在变幅杆3的前端和超声钻杆5的末端来回振荡，将振动传递至超声钻杆5，从而实现超声钻杆5的高频振动。超声钻杆5与岩石接触时产生具有超声频率的高频动力负荷，使岩石损伤的累积增长速度与一般疲劳荷载造成的速度更快快，从而使岩石到达疲劳破坏极限的时间更短，破岩效率也更高。实施例2如图2所示，一种超声钻破岩设备，包括钻杆间连接螺母8、供电导线9、超声钻机底座10、超声波发生器1、连接环11、超声波换能器2、变幅杆3、钻杆12、中空连接件4、超声钻杆5、球体6、连接杆7、钻头13、注水喷头14。超声波发生器1和超声波换能器2位于钻杆12中部，变幅杆3的末端位于钻杆12前部，变幅杆3的前端穿过钻杆12的前端并伸进钻头13内，超声钻杆5的末端位于钻头13内部并与变幅杆3的前端相连，超声钻杆5的前端则从钻头13的顶端穿出，注水喷头14位于钻头13顶端，注水喷头14的喷水方向朝向超声钻杆5的前端。连接杆7的两端分别固定在变幅杆3前端的中央和超声钻杆5末端的中央。球体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种矿山超声波破岩设备，其特征在于，包括超声波生成模块、变幅杆、中空连接件、自由质量、超声钻杆，所述超声钻杆的末端固定在所述变幅杆的前端，所述中空连接件的两端连接所述变幅杆的前端和所述超声钻杆的末端，所述自由质量可在所述变幅杆的前端和所述超声钻杆的末端之间来回振荡。

【技术特征摘要】
1.一种矿山超声波破岩设备，其特征在于，包括超声波生成模块、变幅杆、中空连接件、自由质量、超声钻杆，所述超声钻杆的末端固定在所述变幅杆的前端，所述中空连接件的两端连接所述变幅杆的前端和所述超声钻杆的末端，所述自由质量可在所述变幅杆的前端和所述超声钻杆的末端之间来回振荡。2.如权利要求1所述的一种矿山超声波破岩设备，其特征在于，所述超声波生成模块包括超声波发生器和超声波换能器，所述超声波发生器与所述超声波换能器相连，所述变幅杆的末端固定在所述超声波换能器的前端，所述超声波发生器生成高频交流电信号驱动所述超声波换能器产生超声波。3.一种超声钻破岩设备，包括依次相连的钻杆和钻头，其特征在于，还包括超声波生成模块、变幅杆、中空连接件、自由质量、超声钻杆、连接杆，所述连接杆的两端分别固定在所述变幅杆前端的中央和所述超声钻杆末端的中央，所述自由质量为球体，所述球体可活动的串在所述连接杆上且所述连接杆穿过所述球体的球心，所述超声波生成模块位于所述钻杆中部，所述变幅杆的末端位于所述钻杆前部，所述变幅杆的前端穿过所述钻杆的前端并伸进所述钻头内，所述超声钻杆的末端位于所述钻头内部并与所述变幅杆的前端相连，所述超声钻杆的前端从所...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄炳香，张新，李楠，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32