機載錨桿鉆機研制及配套掘錨一體化設備應用

賈華龍

（霍州煤電集團有限責任公司，山西 霍州 031400）

目前在許多礦區，井下開采存在掘進工藝落后的問題，掘進與支護不能同步進行，很大程度上制約著巷道掘進速度，影響生產效率[1-2]。隨著煤礦開采水平的不斷提高，對掘進技術要求也越來越高，需要將掘進和支護結合起來，實現巷道掘進和支護施工的一體化連續作業。因此，需針對掘錨一體化設備進行研究，實現安全高效掘進[3]。

郭愛軍[4]針對神東礦區存在煤巷掘進效率低等問題，研制出ZJM4200 護盾式掘錨一體機，可實現一個循環掘進1 m矩形巷道；賈志剛[5]采用EJM2×170 型掘錨一體機在馬脊梁礦進行了實際應用，取得了良好的效果。霍州煤電集團有限責任公司在原有綜掘設備基礎上，加裝機載錨桿鉆機、隨機液壓邁步式超前支護系統，實現掘錨一體化，研究成果已申報2 項國家發明專利，其中1 項已授權，取得國家礦用產品安全標志，并在回坡底煤礦現場應用。

1 綜掘機機載錨桿鉆機數值模擬研究

1.1 截割臂上端布置式機載錨桿鉆機

（1）上端布置式機載錨桿鉆機組成

掘錨一體化設備的總體見圖1，該設備以縱軸式掘進機為載體，在其截割部上蓋板上設計安裝仿人鉆孔機構，該機構主要由差補機構、翻轉機構、伸展機構、鉆機本體四大部分組成。考慮到機構中驅動較多，如果僅采用人工操作會比較繁瑣，且憑工人的視覺來判斷鉆孔的位置，會造成較大誤差，不利于錨桿支護，為此，研發了一套由計算機控制的打錨桿孔系統，以實現打錨桿過程的自動。錨桿鉆機控制系統主要由：控制面板、顯示屏、計算機處理器、信號采集系統、模—數轉換器、數—模轉換器、放大器、執行機構組成。打錨桿孔系統可以根據輸入的巷道端面大小和設置的錨桿孔位置進行自動打錨桿孔工作。打錨桿孔系統工作時，當巷道端面規則時，采用自動過程打錨桿；當巷道端面不規則時，采用手動過程打錨桿。

圖1 截割臂上端布置式機載錨桿鉆機結構

①差補機構

差補機構用于調節錨桿鉆孔位置，將錨桿處于一條直線上，進而對巷道頂部W 行梁進行錨固。該機構采用兩個差補液壓缸同時伸長用于推動推進板，進而帶動兩臺錨桿鉆機沿著蓋板滑道向掘進機前部移動，兩個差補液壓缸分別伸長、收縮時可以帶動兩臺鉆機繞推進板轉動，進而保證錨桿處于一條直線。

②翻轉機構

當巷道斷面過大或者過小時，為了打頂板錨桿孔位，需要將錨桿鉆機翻轉到豎直狀態，此處需要翻轉機構中的翻轉液壓缸對錨桿鉆機進行上下翻轉，錨桿鉆機翻轉角度0°～120°。

③伸展機構

在打巷道側幫鉆孔時，本設備設計了伸展機構，使錨桿鉆機能夠在豎直方向擺動，使得錨桿鉆機鉆孔方向和煤壁間角度滿足支護要求，擺動范圍為0°～110°。

④鉆機本體

鉆機本體包括主機架、液壓馬達、支護裝置、雙倍程推進機構組成。

（2）基于ADAMS 的掘錨一體化設備驗算

采用ADAMS 軟件建立掘錨一體化設備的三維模型，然后針對模型各點的受力情況進行分析，輸出翻轉液壓缸和伸展液壓缸與錨桿鉆機轉角的受力曲線圖，驗證設備的設計是否符合要求。

圖2 翻轉液壓缸模擬受力曲線

圖3 翻轉液壓缸理論受力曲線

由圖2 可知，當錨桿鉆機轉角為0°時，翻轉液壓缸受推力最大，為-50 kN，液壓缸推力隨著轉角的增大而逐步減小，當轉角為90°時，液壓缸受力趨近于0，此時錨桿鉆機所受力全部由傳動軸承擔。超過90°時，液壓缸受到的拉力隨著轉角增大而增大，最大拉力為30 kN。由圖3 可知，軟件模擬得到的受力曲線與理論受力曲線基本一致，可以得到此設備翻轉機構設置合理。同樣由圖4 和圖5 可知，伸展液壓缸模擬受力曲線與理論基本一致，可以得到伸展機構設置合理。

圖4 伸展液壓缸模擬受力曲線

圖5 伸展液壓缸理論受力曲線

模擬得到鉆頭的橫向和縱向位移曲線，見圖6、圖7。由圖6、圖7 可以得到，縱向上鉆頭相對傳動軸位移最大為2 060 mm，橫向上位移最大為2 225 mm；由曲線光滑形態可知，鉆頭運行平穩，滿足使用需要，設計合理。

圖6 鉆頭橫向位移曲線

圖7 鉆頭縱向位移曲線

掘錨一體化設備將掘進機和錨桿鉆機緊密的聯系在一起，可以實現同時作業，且掘進機和錨桿鉆機共用一個液壓泵，既節省資源，又節約了巷道作業空間。此設備具有結構簡單、受力合理的特點，可以在現場靈活應用。

1.2 截割臂兩側布置式機載錨桿鉆機

（1）兩側布置式機載錨桿鉆機組成

圖8 兩側布置式機載錨桿鉆機

雙側布置式機載錨桿鉆機結構簡單、受力合理、活動范圍大，通過調整兩側切割臂的位置，不但可以鉆進頂部錨桿，而且可以鉆進側幫錨桿。

設備構成由切割臂雙側裝有固定板，鋪設伸縮滑板及伸縮液壓缸，通過伸縮液壓缸的伸縮可以將錨桿鉆機沿截割頭方向伸出或者縮回。伸縮滑板上鉸接有翻轉液壓缸，底座上鉸接有活塞端；翻轉液壓缸使得支座繞伸縮滑板旋轉，進一步帶動鉆進豎起，針對巷道頂板進行鉆孔；對側幫進行鉆孔時，利用翻轉液壓缸將鉆進豎起，然后利用側翻液壓缸將鉆機放倒鉆孔。

（2）基于ADAMS 確定錨桿鉆機工作參數

使用ADAMS 建立掘錨的三維虛擬模型，分析兩側布置式機載錨桿鉆機在實際工作中的狀態：

①伸縮液壓缸受力分析

圖9 伸縮液壓缸受力變化規律

模擬錨桿鉆機工作狀態，得到伸縮液壓缸受力見圖9。當在巷道較高處鉆進頂板鉆孔時，伸縮液壓缸伸出起始時刻，受到了最大推力為20.65 kN；當在巷道較低處鉆進頂板鉆孔時，伸縮液壓缸縮回起始時刻，受到最大拉力為19.978 kN。因此，考慮摩擦損失及模擬誤差等因素，為保證伸縮液壓缸的正常工作，取最大拉力和推力均為25.0 kN。

②翻轉液壓缸受力分析

圖10 翻轉液壓缸受力變化規律

模擬錨桿鉆機工作狀態，得到翻轉液壓缸受力見圖10。當在巷道較高處鉆進頂板鉆孔時，翻轉液壓缸伸出起始時刻，受到了最大推力為14.891 kN；當在巷道較低處鉆進頂板鉆孔時，翻轉液壓缸縮回起始時刻，受到最大拉力為72.294 kN。因此，考慮摩擦損失及模擬誤差等因素，為保證翻轉液壓缸的正常工作，取最大拉力75.0 kN 和最大推力均為20.0 kN。

③側翻液壓缸受力分析

側翻液壓缸用于將鉆機側翻進而搭設側幫鉆孔。此時支護裝置為水平狀態，需考慮錨桿鉆機質心對側翻轉軸的扭矩問題。模擬結果見圖11，可以得到在巷道最寬處側翻液壓缸受到的最大扭矩為6 725 N·m。因此，考慮摩擦損失及模擬誤差等因素，為保證側翻液壓缸的正常工作，取最大扭矩為7 500 N·m。

圖11 側翻液壓缸受力變化規律

2 隨機液壓邁步式超前支護系統研究

隨機超前支護系統是一種以提高機掘巷道的掘進速度、減輕工人勞動強度、臨時支護面積大的液壓邁步式超前支護裝置，見圖12。該裝置與人工完成臨時支護工藝相比，顯著改善了工人勞動強度，提高了掘進工藝操作的安全性，大大提高了支護速度。掘進機在有限的巷道空間實際作業時，隨機超前支護系統跨在掘進機上，獨立邁步式前進，像一頂棚罩在掘進機工作面上方，不會影響掘進機操作人員在掘進作業時的視線。該系統能在掘進過程中始終支護頂板，消除空頂作業。不僅保證掘進工作面的安全生產，而且實現掘進工作的一掘多錨，多工序平行作業，提高掘進效率。

圖12 隨機超前支護系統

3 配套運輸工藝

在運輸工藝方面，采用綜掘機配套自移式皮帶輸送機進行連續運輸作業，通過掘進、支護、運輸三大工序合理銜接，實現同時作業，提高掘進效率。

4 現場應用

目前，回坡底礦已完全淘汰了炮掘工藝，采用掘、錨、運、超前支護一體化綜掘設備系統。礦井8個掘進工作面，綜掘機在冊共9 臺。其中：EBZ160綜掘機2 臺、EBZ200 綜掘機2 臺、EBZ260H 綜掘機1 臺、EBZ300 綜掘機 2 臺、EBZ315 綜掘機 1 臺、EBZ318 綜掘機1 臺，全部安裝使用了機載臨時支護裝置，結合超前支護系統和配套運輸設備，綜掘率達到了100%。巷道掘進速度由原來平均18.2 m/d提高到平均29.5 m/d，提高了162%，工作效率提高了數倍，加快了首采面投產。減少炮掘等工序及原材料投入近400 萬元，累計節約掘進費用近1.5 億元，大大降低了生產成本，提高了工作效率，減輕了職工勞動強度。

5 結語

針對煤礦巷道掘進機械化水平低下、速度較慢等問題，研制了綜掘機機載錨桿鉆機，配合超前支護系統及配套運輸設備構成掘錨一體化設備系統，并在回坡底煤礦得到了現場應用。

1）基于ADAMS 對掘錨一體化設備模型各點進行了受力分析，得到截割臂上端布置式機載錨桿鉆機、兩側布置式機載錨桿鉆機的相關工作參數，可以滿足掘錨一體的功能使用需求。

2）通過全程采用綜合機械化掘進工藝，提高了礦井單進水平，大大降低了生產成本，提高了工作效率，為礦井實現安全高效生產邁進了一大步，值得其它礦井推廣應用。