[发明专利]一种矿山超声波破岩设备

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及矿山破岩设备，尤其涉及一种矿山超声波破岩设备。

背景技术

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。

发明内容

为了克服现有破岩装置效率低、污染高、耗损高的问题，本发明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。