本发明涉及掘进机装备，尤其涉及一种钻劈同步式掘进机及其掘进工艺。
背景技术：
1、煤炭作为我国经济建设和工业生产的重要支柱，在能源结构中扮演着至关重要的角色。煤矿井巷的建设是煤炭开采的核心环节之一。然而，当前煤炭开采中存在严重的采掘失衡问题，制约着我国矿井生产效率和安全开采水平的提升。其中，主要原因之一是岩巷掘进困难，现有的截齿类综合掘进机对于硬度系数大于f8(即抗压强度大于80mpa)的硬岩岩层难以进行有效经济的截割，导致截割效率低下、截齿磨损率超标、掘进机故障率上升。为完成掘进，常需撤出掘进机，采用钻孔爆破进行破岩掘进，然而这种做法存在潜在的安全隐患且无法实现连续掘进。在现有发展阶段，国家特别强调煤矿智能化体系建设，重点推动智能快速掘进技术发展。因此，研究高效破碎硬岩的自动化掘进机械对于实现少人化、无人化掘进，构建智能能源开采体系具有极其重要的意义。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服背景技术中的问题，提供一种钻劈同步式掘进机及其掘进工艺，该掘进机结构紧凑，能够对岩层硬度f>10的坚硬岩层进行钻孔同步劈裂，弱化待截割岩体强度，提高掘进效率，且在掘进机截割功率不变的情况下提高掘进能力。
2、为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案具体为：一种钻劈同步式掘进机，包括悬臂掘进机、钻劈控制臂、同步式钻劈装置，所述钻劈控制臂设置在悬臂掘进机上，所述同步式钻劈装置设置在钻劈控制臂上；
3、所述钻劈控制臂能够调节同步式钻劈装置的凿岩钻进角度，并带动同步式钻劈装置前后移动；
4、所述同步式钻劈装置包括轨道机架、链轮传动机构、冲击凿岩机构、随钻劈裂机构和连接夹持装置，所述轨道机架通过连接夹持装置安装在钻劈控制臂上，所述链轮传动机构、冲击凿岩机构和随钻劈裂机构均设置在轨道机架上，所述链轮传动机构用于提供驱动力，能够使冲击凿岩机构和随钻劈裂机构沿轨道机架前后移动。
5、进一步地，所述轨道机架上设置有凹状空间的工字型结构，所述轨道机架上下的外沿轨道结构用以安装冲击凿岩机构和随钻劈裂机构。
6、进一步地，所述链轮传动机构包括设置于轨道机架上的链轮驱动马达、主动链轮、链条和从动链轮，所述链条配合设置在主动链轮和从动链轮之间，所述链条分别与冲击凿岩机构和随钻劈裂机构固定连接，且能够带动冲击凿岩机构和随钻劈裂机构同步运动。
7、进一步地，所述冲击凿岩机构包括滑块式连接座一、凿岩冲击器、钻杆和冲击钻头，所述凿岩冲击器通过滑块式连接座一安装在轨道机架上，所述滑块式连接座一并与链条固定连接，所述钻杆一端与凿岩冲击器连接，另一端转动穿过随钻劈裂机构后与冲击钻头连接,在进行冲击钻孔作业时，通过链轮传动机构能够使冲击钻头沿轨道机架向前推进。
8、进一步地，所述随钻劈裂机构包括滑块式连接座二、液压回转机构、连接法兰、劈裂机架、位移加载机构、加热套、记忆合金、支撑出渣机构和收渣机构，所述液压回转机构通过滑块式连接座二安装在轨道机架上，并通过滑块式连接座二与链条固定连接，所述劈裂机架、加热套、记忆合金、位移加载机构和支撑出渣机构共同构成随钻劈裂机构主体，所述链轮传动机构中的链条在移动时能够带动随钻劈裂机构沿轨道机架向前推进；
9、所述劈裂机架呈多段式，每段所述劈裂机架上设置一个位移加载机构和多个加热套，所述加热套与链条垂直设置，所述记忆合金设置在加热套内，所述记忆合金受热后长度增加，伸出加热套后会推动位移加载机构向外侧移动，使随钻劈裂机构进行膨胀，直径变大，在所述劈裂机架轴线方向阵列设置的多个加热套、记忆合金和位移加载机构，能够起到对钻孔壁面分段劈裂的作用。
10、进一步地，所述劈裂机架中设置有与钻杆配合的通孔，所述劈裂机架两端为含槽圆形断面，用以与连接法兰和收渣机构连接；
11、所述加热套为圆筒状，由金属套筒、粘合剂和镍铬合金线构成，且安装在劈裂机架对应槽位内，所述记忆合金为含螺旋槽中空圆柱体，安装在加热套内，所述位移加载机构安装在劈裂机架的移动轨道上，其内侧与记忆合金连接。
12、进一步地，所述支撑出渣机构为带中间槽弧形板，设置在劈裂机架的另一侧，且与加热套、记忆合金和位移加载机构的安装平面位置相对，起到支撑劈裂并排除岩屑的作用；
13、所述连接法兰为柱式结构，中部含有与钻杆尺寸匹配的通孔，所述连接法兰用以连接固定液压回转机构和劈裂机架；
14、所述收渣机构内部含有与钻杆尺寸配合的通孔，以及与支撑出渣机构联通的出渣口，所述收渣机构一端与劈裂机架末端连接，另一端与冲击钻头相靠近。
15、本发明一种掘进工艺，包括如下步骤：
16、s1：根据断面轮廓的侧帮与顶板位置，将断面划分为中间掏槽区域、左截割区域、右截割区域和顶板截割区域，其中中间掏槽区域高度与侧帮高度相等，宽度为掘进机滚筒俯仰摆动可开挖空间宽度，在掏槽区域进行密集钻孔，以单个截割滚筒投影面积为参考，单个截割滚筒投影面积内，钻孔个数和间距需使钻孔面积至少达到截割滚筒投影面积的3/5，钻孔深度需达到同步式钻劈装置的完全插入深度，完成钻孔后使用掘进机对中间掏槽区域进行截割，截割深度需达到钻孔深度；
17、s2：进行左截割区域和右截割区域的钻劈工作，制造裂隙网；
18、s3：进行左截割区域和右截割区域的截割工作，掘进机滚筒以z型轨迹截割已劈裂的区域；
19、s4：进行顶板区域钻劈工作；
20、s5：进行顶板区域的截割工作，掘进机滚筒以n型轨迹截割已劈裂的区域；
21、s6：对截割区域沿轮廓进行扫边截割，确保截割区域轮廓质量。
22、进一步地，所述的进行左截割区域和右截割区域的钻劈工作的方法如下：
23、钻劈孔位呈纵向多列排布，每列钻劈孔位平行于中间掏槽区域形成的自由面，并且劈裂方向与之垂直，对钻劈孔位由内到外逐列劈裂，每列劈裂孔的劈裂顺序为：对最中间的孔位首先劈裂，从中间往上对钻劈孔位依次劈裂，再中间往下对钻劈孔位依次劈裂；劈裂孔位之间的距离以及每列劈裂孔位间距根据钻劈装置功率和断面岩层条件确定，需使劈裂后断面裂纹大于5mm、孔间裂纹及自由面裂纹清晰可见。
24、进一步地，所述的进行顶板区域钻劈工作的方法如下：在左截割区域、右截割区域截割已完成，且与中间掏槽区域联通形成已截割空间后，利用已截割空间的顶部平面作为自由面进行钻劈工作，钻劈孔位呈横向多列排布，对钻劈孔位由下到上逐列劈裂；每列劈裂孔的劈裂顺序为：对最中间的孔位首先劈裂，从中间往外对钻劈孔位依次劈裂；劈裂孔位布置要求和形成裂纹面要求与左、右截割区域钻劈要求一致。
25、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
26、1、通过对断面岩体进行钻孔劈裂，削弱了岩石的完整性，制造了有利滚筒截割的自由面，在滚筒截割时仅需克服裂纹面根部与自由面间岩石断裂阻力即可完成整体截割，单个截齿截割的岩体失效模式将从磨削压碎转换为打击力作用下的断裂失效，极大地提升了固定截割功率下可截割岩体强度，降低了截齿磨损，提升了掘进机截割能力。
27、2、相较于其他钻劈辅助掘进机，本发明实现了钻孔劈裂两个工序连续进行，无需通过其他回转装置进行再次对孔，极大地提升了钻劈效率和钻劈质量，此外本发明钻劈结构紧凑，整备质量小；实现了钻劈工作和截割工作的同步配合进行，并能够根据钻劈裂纹成型及时调整孔位，降低了无效打孔数量；根据本发明提出工艺结合所述设备，能够在单个掘进进尺中将钻孔劈裂的岩体一次性完全截割，从而提高单循环进尺量，实现坚硬岩层(硬度系数≥f10)的快速、高质量掘进。
1.一种钻劈同步式掘进机，其特征在于，包括悬臂掘进机(1)、钻劈控制臂(2)、同步式钻劈装置(3)，所述钻劈控制臂(2)设置在悬臂掘进机(1)上，所述同步式钻劈装置(3)设置在钻劈控制臂(2)上；
2.根据权利要求1所述的一种钻劈同步式掘进机，其特征在于，所述轨道机架(3-1)上设置有凹状空间的工字型结构，所述轨道机架(3-1)上下的外沿轨道结构用以安装冲击凿岩机构(3-3)和随钻劈裂机构(3-4)。
3.根据权利要求1所述的一种钻劈同步式掘进机，其特征在于，所述链轮传动机构(3-2)包括设置于轨道机架(3-1)上的链轮驱动马达(3-2-1)、主动链轮(3-2-2)、链条(3-2-3)和从动链轮(3-2-4)，所述链条(3-2-3)配合设置在主动链轮(3-2-2)和从动链轮(3-2-4)之间，所述链条(3-2-3)分别与冲击凿岩机构(3-3)和随钻劈裂机构(3-4)固定连接，且能够带动冲击凿岩机构(3-3)和随钻劈裂机构(3-4)同步运动。
4.根据权利要求3所述的一种钻劈同步式掘进机，其特征在于，所述冲击凿岩机构(3-3)包括滑块式连接座一(3-3-1)、凿岩冲击器(3-3-2)、钻杆(3-3-3)和冲击钻头(3-3-4)，所述凿岩冲击器(3-3-2)通过滑块式连接座一(3-3-1)安装在轨道机架(3-1)上，所述滑块式连接座一(3-3-1)与链条(3-2-3)固定连接，所述钻杆(3-3-3)一端与凿岩冲击器(3-3-2)连接，另一端转动穿过随钻劈裂机构(3-4)后与冲击钻头(3-3-4)连接,在进行冲击钻孔作业时，通过链轮传动机构(3-2)能够使冲击钻头(3-3-4)沿轨道机架(3-1)向前推进。
5.根据权利要求4所述的一种钻劈同步式掘进机，其特征在于，所述随钻劈裂机构(3-4)包括滑块式连接座二(3-4-1)、液压回转机构(3-4-2)、连接法兰(3-4-3)、劈裂机架(3-4-4)、位移加载机构(3-4-5)、加热套(3-4-7)、记忆合金(3-4-6)、支撑出渣机构(3-4-8)和收渣机构(3-4-9)，所述液压回转机构(3-4-2)通过滑块式连接座二(3-4-1)安装在轨道机架(3-1)上，并通过滑块式连接座二(3-4-1)与链条(3-2-3)固定连接，所述劈裂机架(3-4-4)、加热套(3-4-7)、记忆合金(3-4-6)、位移加载机构(3-4-5)和支撑出渣机构(3-4-8)共同构成随钻劈裂机构(3-4)主体，所述链轮传动机构(3-2)中的链条(3-2-3)在移动时能够带动随钻劈裂机构(3-4)沿轨道机架(3-1)向前推进；
6.根据权利要求5所述的一种钻劈同步式掘进机，其特征在于，所述劈裂机架(3-4-4)中设置有与钻杆(3-3-3)配合的通孔，所述劈裂机架(3-4-4)两端为含槽圆形断面，用以与连接法兰(3-4-3)和收渣机构(3-4-9)连接；
7.根据权利要求6所述的一种钻劈同步式掘进机，其特征在于，所述支撑出渣机构(3-4-8)为带中间槽弧形板，设置在劈裂机架(3-4-4)的另一侧，且与加热套(3-4-7)、记忆合金(3-4-6)和位移加载机构(3-4-5)的安装平面位置相对，起到支撑劈裂并排除岩屑的作用；
8.一种掘进工艺，该掘进工艺基于权利要求1-7任一所述的一种钻劈同步式掘进机，其特征在于，包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种掘进工艺，其特征在于，在所述s2中，所述的进行左截割区域和右截割区域的钻劈工作的方法如下：
10.根据权利要求8所述的一种掘进工艺，其特征在于，在所述步骤s4中，所述的进行顶板区域钻劈工作的方法如下：在左截割区域、右截割区域截割已完成，且与中间掏槽区域联通形成已截割空间后，利用已截割空间的顶部平面作为自由面进行钻劈工作，钻劈孔位呈横向多列排布，对钻劈孔位由下到上逐列劈裂；每列劈裂孔的劈裂顺序为：对最中间的孔位首先劈裂，从中间往外对钻劈孔位依次劈裂；劈裂孔位布置要求和形成裂纹面要求与左、右截割区域钻劈要求一致。
