本發(fā)明涉及采礦設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種多點(diǎn)協(xié)同掘進(jìn)與巖石氣液化輸送多功能機(jī)器人及其掘采方法。

背景技術(shù)：

1、在國(guó)防、水利、交通、礦業(yè)、地鐵等地下工程的建設(shè)和迅速發(fā)展，使得地下隧道、巷道掘進(jìn)裝備的研發(fā)愈發(fā)重要，目前對(duì)于軟巖掘進(jìn)，通過(guò)懸臂式掘進(jìn)等可以較好的實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但在面對(duì)硬巖地質(zhì)條件時(shí)，多采用爆破掘進(jìn)，懸臂式掘進(jìn)，存在一系列問(wèn)題和挑戰(zhàn)：

2、經(jīng)濟(jì)截割難題：傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)在硬巖地質(zhì)條件下工作時(shí)，由于截齒的剛性設(shè)計(jì)，往往難以實(shí)現(xiàn)有效的經(jīng)濟(jì)截割。這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致掘進(jìn)過(guò)程中故障頻發(fā)，能耗高，且維護(hù)成本昂貴。此外，剛性截齒在遇到堅(jiān)硬巖石時(shí)容易損壞，需要頻繁更換，進(jìn)一步增加了作業(yè)成本。

3、無(wú)效振動(dòng)和磨損問(wèn)題：在傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)中，大刀盤整體沖擊的方式在掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)效振動(dòng)。這種振動(dòng)不僅降低了掘進(jìn)效率，還加劇了設(shè)備的磨損，縮短了設(shè)備的使用壽命。特別是在硬巖地質(zhì)條件下，無(wú)效振動(dòng)和磨損問(wèn)題更為嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了掘進(jìn)作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。

4、成本高的問(wèn)題：傳統(tǒng)的巖石鉆進(jìn)技術(shù)，如鉆爆法，涉及多個(gè)復(fù)雜的工序，包括鑿巖、裝藥、連線、點(diǎn)火、通風(fēng)、出渣、工作面運(yùn)輸、破碎和井下運(yùn)輸?shù)?。這些工序不僅耗時(shí)耗力，而且成本高昂。此外，由于掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的巖渣需要通過(guò)多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行處理和運(yùn)輸，進(jìn)一步增加了作業(yè)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服或緩解以上一個(gè)或多個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明目的是提供一種多點(diǎn)協(xié)同掘進(jìn)與巖石氣液化輸送多功能機(jī)器人及其開采方法，在以下三個(gè)方面進(jìn)行了技術(shù)難關(guān)突破：一、通過(guò)多點(diǎn)協(xié)同掘進(jìn)，解決不能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)截割，故障頻發(fā)和能耗高的難題；二、變已有的大刀盤整體沖擊為單個(gè)點(diǎn)沖擊，降低無(wú)效振動(dòng)客服磨損嚴(yán)重的問(wèn)題；三、通過(guò)多點(diǎn)協(xié)同掘進(jìn)與管道輸送，解決成本高的問(wèn)題。

2、本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種多點(diǎn)協(xié)同掘進(jìn)與巖石氣液化輸送多功能機(jī)器人，其包括：

4、載體，用于在采礦工作面上移動(dòng)，其上活動(dòng)設(shè)有機(jī)械臂組件，所述機(jī)械臂組件在軸向和徑向方向活動(dòng)控制所述刀盤組件，所述刀盤組件用于多點(diǎn)截齒協(xié)同沖擊粉碎并掘進(jìn)工作面的巖石；

5、高壓氣體供應(yīng)系統(tǒng)，用于通過(guò)高壓氣體柔性輸送管為所述刀盤組件輸送高壓氣體；

6、巖石氣液化輸送工作組站，用于將柔性輸送管輸送的所述刀盤組件掘進(jìn)過(guò)程中的巖石顆粒進(jìn)行氣固液混合，并泵送到地表或地下倉(cāng)庫(kù)。

7、根據(jù)一些實(shí)施方式，所述機(jī)械臂組件包括可軸向旋轉(zhuǎn)的機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，其上固定機(jī)械臂大臂，所述機(jī)械臂大臂末端設(shè)有可徑向活動(dòng)的固定機(jī)械臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，固定機(jī)械臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定設(shè)有機(jī)械臂小臂；所述機(jī)械臂小臂末端設(shè)有所述刀盤組件，所述刀盤組件包括圓柱體狀的刀盤，所述刀盤內(nèi)設(shè)有多個(gè)仟桿，每個(gè)所述仟桿前端均連接沖擊器和鉆頭，所述釬桿后端通過(guò)旋轉(zhuǎn)油缸和推進(jìn)油缸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)，所述刀盤內(nèi)設(shè)有除塵集渣裝置。

8、根據(jù)一些實(shí)施方式，所述刀盤直徑的范圍區(qū)間為[500mm,2000mm]；所述鉆頭直徑的范圍區(qū)間為[50mm,200mm]；所述鉆頭在所述刀盤的布設(shè)數(shù)量不少于10個(gè)。

9、根據(jù)一些實(shí)施方式，所述高壓氣體供應(yīng)系統(tǒng)，包括空氣壓縮機(jī)及用于驅(qū)動(dòng)所述空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生高壓氣體的動(dòng)力系統(tǒng)。

10、根據(jù)一些實(shí)施方式，所述巖石氣液化輸送工作組站自前端到后端依次包括輸入管、泵站、氣固液混合站以及輸出管，所述泵站包括壓入式泵站和抽出式泵站，通過(guò)所述壓入式泵站將所述氣固液混合柔性輸送管輸送的巖石粉碎顆粒吹送至氣固液混合站進(jìn)行氣固液混合，通過(guò)所述抽出式泵站將混合后的氣固液混合物輸送至地表或地下倉(cāng)庫(kù)。

11、根據(jù)一些實(shí)施方式，所述載體上設(shè)有位移傳感器和方位傳感器，所述刀盤上設(shè)有速度傳感器；所述位移傳感器用于檢測(cè)所述載體的位置變化；所述方位傳感器用于檢測(cè)所述載體的朝向和姿態(tài)，協(xié)助所述機(jī)械臂組件調(diào)整姿態(tài)；所述速度傳感器設(shè)于所述刀盤上，用于檢測(cè)所述刀盤的轉(zhuǎn)速，以配合調(diào)整液壓、氣壓和水的供應(yīng)。

12、另一方面，本發(fā)明提供了一種根據(jù)上述多點(diǎn)協(xié)同掘進(jìn)與巖石氣液化輸送多功能機(jī)器人的掘采方法，其包括以下步驟：

13、s1：將所述載體移動(dòng)至巖體開采工作面，通過(guò)所述位移傳感器、所述方位傳感器和所述速度傳感器的感知數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)所述機(jī)械臂組件承載的所述刀盤組件移動(dòng)到工作面的速度和方位；

14、s2：?jiǎn)?dòng)所述空氣壓縮機(jī)和所述動(dòng)力系統(tǒng)，以準(zhǔn)備提供掘進(jìn)所需的高壓氣體；

15、s3：?jiǎn)?dòng)所述巖石氣固液輸送工作組站，所述刀盤組件開始循環(huán)作業(yè)，完成掘進(jìn)動(dòng)作，掘進(jìn)10cm-50cm；在此過(guò)程中，所述高壓氣體供應(yīng)系統(tǒng)提供的氣體通過(guò)所述高壓氣體柔性輸送管輸送至所述刀盤組件，以輔助掘進(jìn)和巖石破碎。

16、s4：所述刀盤組件根據(jù)所述速度傳感器和所述方位傳感器的感知移動(dòng)到下一個(gè)循環(huán)作業(yè)，完成此循環(huán)作業(yè)，依次類推，直至完成全斷面同步掘進(jìn)；在掘進(jìn)過(guò)程中，持續(xù)通過(guò)所述高壓氣體供應(yīng)系統(tǒng)提供氣體，以保持掘進(jìn)效率和效果；

17、s5：掘進(jìn)的全過(guò)程中進(jìn)行液體、粉末、巖礦渣收集，通過(guò)所述泵站、所述除塵集渣裝置將液體、粉末、巖礦渣輸送到所述氣固液混合站，在混合均勻后通過(guò)所述氣固液混合柔性輸送管輸送到地表或井下氣-固-液倉(cāng)庫(kù)；同時(shí)，所述高壓氣體供應(yīng)系統(tǒng)繼續(xù)提供氣體，以維持氣固液混合和輸送過(guò)程的穩(wěn)定性；

18、s6：重復(fù)s1～s5，以開展下一個(gè)掘進(jìn)工作面，直至工作結(jié)束。

19、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具備以下有益效果：

20、1)本發(fā)明通過(guò)采用多點(diǎn)協(xié)同掘進(jìn)技術(shù)，本發(fā)明的機(jī)器人能夠在硬巖地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)有效的經(jīng)濟(jì)截割。通過(guò)多點(diǎn)獨(dú)立式鉆頭的設(shè)計(jì)提升掘進(jìn)時(shí)沖擊推動(dòng)、旋轉(zhuǎn)剪切的效能，從而大幅提升掘進(jìn)效率，降低截齒磨損。與已有掘進(jìn)機(jī)的剛性刀盤相比，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)獨(dú)立沖擊和協(xié)同掘進(jìn)，大幅提升了掘進(jìn)工作效率，降低了成本，實(shí)現(xiàn)了硬巖地質(zhì)條件下掘進(jìn)作業(yè)機(jī)械化與連續(xù)化。這種設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)在硬巖中遇到的故障頻發(fā)和能耗高的問(wèn)題，顯著提高了掘進(jìn)效率。多點(diǎn)協(xié)同掘進(jìn)技術(shù)使得機(jī)器人在掘進(jìn)過(guò)程中能夠更加精確地控制截齒與巖石的接觸，減少了無(wú)效的沖擊和磨損，從而降低了能耗和維護(hù)成本。

21、2)本發(fā)明改變了傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)大刀盤整體沖擊的方式，采用單個(gè)點(diǎn)沖擊的設(shè)計(jì)，有效降低了掘進(jìn)過(guò)程中的無(wú)效振動(dòng)。單個(gè)點(diǎn)沖擊的設(shè)計(jì)使得每個(gè)鉆頭都能夠獨(dú)立地對(duì)巖石進(jìn)行沖擊和剪切，減少了對(duì)整個(gè)掘進(jìn)機(jī)的沖擊，從而降低了設(shè)備的磨損，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

22、3)本發(fā)明通過(guò)多點(diǎn)協(xié)同掘進(jìn)與管道輸送的結(jié)合，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的多工序作業(yè)，將粉末/碎塊化掘進(jìn)與管道運(yùn)輸合并為兩個(gè)工序，大幅降低了作業(yè)成本。機(jī)器人能夠在掘進(jìn)的同時(shí)完成巖石的粉末化和輸送，實(shí)現(xiàn)了從巖石掘進(jìn)到氣-固-液混合泵送的連續(xù)作業(yè)，減少了中間環(huán)節(jié)，提高了作業(yè)效率，降低了成本。

23、4)多點(diǎn)協(xié)同掘進(jìn)技術(shù)使得機(jī)器人能夠更好地適應(yīng)不同的地質(zhì)條件，提高了掘進(jìn)作業(yè)的靈活性和適應(yīng)性，從而提高了作業(yè)的安全性。單個(gè)點(diǎn)沖擊的設(shè)計(jì)減少了無(wú)效振動(dòng)，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性，使得機(jī)器人在硬巖地質(zhì)條件下的掘進(jìn)作業(yè)更加安全可靠。

24、5)本發(fā)明的機(jī)器人在掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的巖渣能夠及時(shí)被氣-固-液混合并輸送到地表或井下倉(cāng)庫(kù)，減少了巖渣對(duì)環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)了資源的高效利用。通過(guò)氣-固-液混合泵送技術(shù)，機(jī)器人能夠?qū)⒕蜻M(jìn)產(chǎn)生的巖渣轉(zhuǎn)化為液態(tài)資源，減少了資源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了資源的二次開發(fā)和利用。

25、6)本發(fā)明的提供的多功能機(jī)器人的多功能分兩方面來(lái)體現(xiàn)：

26、其一，機(jī)器人本身可以實(shí)現(xiàn)多種功能：①多點(diǎn)協(xié)同掘進(jìn)：本發(fā)明通過(guò)多點(diǎn)協(xié)同掘進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)截齒同時(shí)對(duì)硬巖進(jìn)行沖擊粉碎，這種設(shè)計(jì)提高了掘進(jìn)效率，降低了能耗，并減少了故障發(fā)生的概率。

27、②高壓氣體輔助掘進(jìn)：配備的高壓氣體供應(yīng)系統(tǒng)，通過(guò)高壓氣體柔性輸送管為刀盤組件輸送高壓氣體，輔助掘進(jìn)和巖石破碎，提高了掘進(jìn)效率和效果。

28、③巖石氣液化輸送：巖石氣液化輸送工作組站將掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的巖石顆粒進(jìn)行氣固液混合，并泵送到地表或地下倉(cāng)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了巖石的有效運(yùn)輸和處理。

29、④智能傳感器應(yīng)用：載體上設(shè)有位移傳感器和方位傳感器，刀盤上設(shè)有速度傳感器，這些傳感器的配合使用可以精確控制掘進(jìn)過(guò)程，提高掘進(jìn)的精確性和安全性。

30、⑤自動(dòng)化掘進(jìn)循環(huán)：本發(fā)明的掘采方法包括自動(dòng)化的掘進(jìn)循環(huán)，從載體移動(dòng)到巖體開采工作面，到掘進(jìn)動(dòng)作的完成，再到巖石的收集和輸送，形成了一個(gè)高效的自動(dòng)化掘進(jìn)流程。

31、其二，多種應(yīng)用場(chǎng)景的多功能：①本發(fā)明的機(jī)器人可以在隧道及地下工程自動(dòng)化掘進(jìn)中實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)協(xié)同作業(yè)，通過(guò)智能傳感器的自主感知和調(diào)控技術(shù)，機(jī)器人的多點(diǎn)協(xié)同掘進(jìn)能力，可以精確控制掘進(jìn)過(guò)程，提高掘進(jìn)的精確性和安全性。

32、②在深層頁(yè)巖氣開發(fā)中，該機(jī)器人可以應(yīng)用于提高鉆井速度和縮短鉆井周期，特別是在硬地層破巖效率方面，通過(guò)與地層相匹配的鉆頭、大鉆壓大扭矩破巖能量，減少鉆頭破巖能量損耗，顯著提高破巖效率。

33、③在城市地下空間施工中，該機(jī)器人可以利用其氣液化輸送功能，有效處理和運(yùn)輸掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的巖渣，減少對(duì)城市地面交通和環(huán)境的影響。

34、④本發(fā)明的機(jī)器人在硬巖礦山巷道中，可以通過(guò)其多點(diǎn)協(xié)同掘進(jìn)技術(shù)，提高掘進(jìn)速度，減少工程耗時(shí)，同時(shí)通過(guò)智能化的傳感技術(shù)，精確控制掘進(jìn)過(guò)程，提高掘進(jìn)的精確性和安全性。