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。
技术实现要素：
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。
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，本发明的有益效果：
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为本发明实施例1所述的矿山超声波破岩设备的结构示意图；
图2为本发明实施例2所述的超声钻破岩设备的结构示意图；
图3为本发明实施例2所述的超声钻破岩设备的超声钻杆声压分布图；
图4为本发明实施例3所述的顶煤超声弱化设备的结构示意图；
图5为本发明实施例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：
下面参照附图对本发明做进一步描述。
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6可活动的串在连接杆7上且连接杆7穿过球体6的球心，以保证在钻杆12和钻头13倾斜时，球体6仍在变幅杆3前端中央和超声钻杆5末端中央之间沿直线来回振荡。钻杆12中心穿入供电导线8，并将其固定在超声钻机底座9上以向超声波发生器1供电。外部钻机带动钻杆12和钻头13旋转，岩石在超声钻杆5和常规钻头13的共同作用下快速破碎。随着钻孔深度的不断增加，可在该超声钻破岩设备尾部加装钻杆12，并利用连接螺母7进行固定，同时续接供电导线8。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。
根据能量耗散理论，能够导致岩石破裂的超声振动产生的脉冲，其能量一部分用于裂纹的扩展和新表面积的形成，其余能量则以弹性波的形式耗散，并传播至周围空间，弹性波若在液体中的传播则会产生空化作用。当注水喷头14向超声钻杆5工作空间持续注入水时，水与岩石耦合，空化微泡的产生和崩裂对岩石产生空化冲击。岩石受到空化冲击后，表面会发生变形和剥蚀。其中，超声钻杆5的各项参数为：
材料：加强型镍铜磁伸缩材料；
纵向应变率：3×10-5；
弹性模量：90gpa；
长度：0.5m；
截面积：3.14×10-4m2；
工作频率：0.9mhz；
功率：127.2kw
超声波在超声钻杆的传播速率：c＝4km/s
以岩石疲劳强度为30mpa的矿岩巷掘进工作面为例，利用matlab运行仿真程序得到超声波在超声钻杆5传播过程中沿着轴线方向的声压的强度随距离的变化曲线如图3所示。该过程仿真程序基本公式由克希霍夫积分定理和亥姆霍茨方程得到，超声钻杆5轴线声压分布的幅值随距离变化的方程：
p0-初始声压；
λ-纵波波长；
r-超声钻杆半径；
r-超声钻杆起始段中心距轴线上某点的距离。
由图5可知，当超声波到达钻杆5末端时，仍具有很大能量，冲击压力达到287mpa。
在空化作用产生时，空化微泡对周围物质施加的空化压力p计算公式为：
β—水的可压缩性；p0—初始空化压力；r0—空化微泡破裂前半径；r—空化微泡破裂后半径，其中β＝6×10-6，p0＝287mpa，r0/r＝25，
可得，p＝719mpa。
可见，空化微泡对岩体的冲击远大于岩体的破碎压力。
此外，该超声钻破设备中各部件由于均为可拆卸连接，当岩石破碎条件较好时，可单独使用普通钻破设备，而在岩石较硬时再加装超声破岩设备各部件。这种可拆卸的组合方式，使该超声钻破设备具有更好的岩性适应性，可用于单个钻孔的钻凿过程，也可用于钻爆法掘进施工过程。该超声钻破岩设备与传统钻破设备的结合，增强了传统钻破设备对岩性的适应性。
实施例3
如图4所示，一种顶煤超声弱化设备，包括液压支架掩护梁15、液压支架顶梁16、注水喷头17和实施例1中的矿山超声波破岩设备18。液压支架掩护梁15和液压支架顶梁16矿山超声波破岩设备18的末端固定在液压支架顶梁16的前端，注水喷头17固定在液压支架顶梁16的前端侧壁上。注水喷头17的喷水方向朝向矿山超声波破岩设备18的前端。使用该顶煤超声弱化设备钻孔时，注水喷头17的将水喷向矿山超声波破岩设备18的前端。超声波在水中的传播产生空化作用，岩石受到空化冲击后表面发生变形和剥蚀，进一步增强了该顶煤超声弱化设备的破岩效果，还可有效降低作业区域粉尘浓度，并消除超声破岩过程产生的热效应。其中，矿山超声波破岩设备18的超声钻杆的各项参数为：
材料：镍制磁伸缩材料；
纵向应变率：4×10-5；
弹性模量：30gpa；
长度：0.5m；
截面积：3.14×10-4m2；
工作频率：1mhz；
功率：94.2kw
超声波在超声钻杆的传播速率：c＝4km/s
以岩石疲劳强度为15mpa的回采工作面顶煤为例，利用matlab运行仿真程序得到超声波在超声钻杆传播过程中沿着轴线方向的声压的强度随距离的变化曲线如图5所示。由图5可知，当超声波到达超声钻杆5末端时，仍具有很大的能量，冲击压力达到473mpa。
将p0＝473mpa代入实施例2中的空化压力计算公式可得空化微泡对周围物质施加的空化压力p＝923mpa，可见空化微泡对岩体的冲击亦远大于顶煤的破碎压力。
此外，在综合放顶煤开采过程中，可将矿山超声波破岩设备18安装在各支架侧护板间隙中，方便随时拆装，也可在液压支架顶梁16上加入调斜装置19，以便随时对工作面上方一定范围内的坚硬煤体进行破碎。由于矿山超声波破岩设备18结构简单、体积小，也可根据实际需求在支架间相应位置安装一台或者多台矿山超声波破岩设备18。使用移动变电站对矿山超声波破岩设备18进行统一供电，将单台或单组破岩装置的控制系统布置在液压支架中，使液压支架和矿山超声波破岩设备18形成一个整体结构，可在采煤过程中随液压顶梁支架16灵活移动并可保证工作面用电安全也可提高采煤作业的循环效率。