掘錨一體機機載錨桿鉆機的研制

李旺年

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

近年來，隨著掘進裝備的不斷發展和錨桿支護技術的推廣應用，快速掘錨技術已成為建設高產高效礦井的關鍵。根據巷道地質與生產條件，我國的煤巷開拓形成了以掘進機為主的3種機械化快速掘進工藝[1-5]：①懸臂式掘進機與單體錨桿鉆機配套作業，機械化錨護程度低，工人勞動強度大，施工安全性差，效率低；②連續采煤機與錨桿鉆車配套作業，掘錨交叉施工，效率高，但因空頂距大，對巷道地質條件要求也較高；③掘錨一體化同步作業，由同一臺設備完成掘進和錨護施工，減少了掘錨交叉換位的時間，掘進效率顯著提高，月進尺可達到1 200 m。

目前，掘錨一體機已在綜采準備巷道掘進領域中廣泛應用[6-8]，但由于掘錨一體機自帶的側幫錨桿鉆機僅能在400 mm范圍內上下滑動，對于地質條件較好的巷道，側幫錨桿鉆機可以完成側幫3排支護錨桿中的上面2排，下面1排由人工補打完成，對于地質條件較差的巷道，側幫錨桿鉆機僅能完成側幫4排支護錨桿中的中間2排，上下2排錨桿均由人工補打完成。由于掘錨機最大采高4.2 m，人工補打巷道兩幫上排錨桿時，掘錨機頂部平臺距巷道頂板的最大高度僅有1 m左右的空間，人工施工較為困難，作業環境差，施工勞動強度大。為此，根據市場需求研制了一款為掘錨一體機配套用MJZ-400/300E型煤礦用機載錨桿鉆機（以下簡稱鉆機），不僅可以完成巷道兩幫幫錨桿支護作業，也可以完成掘進工作面區域驗證孔和煤層注水孔施工。

1 鉆機的總體設計

鉆機作為選配功能部件與掘錨一體機結合在一起[9-10]，由于巷道空間限制，鉆機設計采用了2級給進裝置，當掘錨一體機工作時，鉆機給進裝置收回，減少整機空間尺寸，避免對掘錨一體機施工產生影響；同時通過2級給進裝置可減少加、卸鉆桿等工序的輔助操作時間，實現錨桿支護快速施工。根據錨桿支護工藝特點和煤層注水施工的要求，設計的機載錨桿鉆機具有以下特點：

1）鉆機可以直接安裝在本體設備上進行施工，且不影響本體設備的正常使用。

2）在實現巷道兩幫錨桿支護和煤層注水施工的前提下，高度尺寸能夠滿足鉆機在掘錨一體機工作時不與頂板碰撞。

3）一次作業循環可以完成巷道兩幫上排錨桿支護，且能對鉆孔高度進行調節，還可以完成掘進工作面煤層注水孔的施工。

4）液壓系統可以融合到原有的液壓系統中，所用液壓閥塊均采用原廠器件，而不增加新的動力源。

鉆機主要由夾持器、給進裝置、回轉器和調角裝置等部分組成。鉆機結構示意圖如圖1。

圖1 鉆機結構示意圖Fig.1 The drilling rig structural diagram

鉆機結構簡單可靠，與掘錨一體機配套適應性強，便于井下進行安裝、拆卸、維修和保養。鉆機的主要性能參數如下：①回轉器：額定轉矩400 N·m，額定轉速300 r/min；②給進裝置：給進力20 kN，起拔力10 kN，一級給進行程1 300 mm，二級給進行程1 100 mm；③調角裝置：方位角±90°，傾角0°～10°；④整機外形尺寸：2.3 m×0.4 m×0.55 m。

2 鉆機關鍵技術

2.1 非對稱結構給進裝置

給進機構是鉆機的主要執行機構，主要由一級給進油缸，給進機身，給進桿組件，鏈條，二級給進油缸和拖板等部分組成。為了減小鉆機的整機尺寸，并減少加、卸鉆桿的輔助作業時間，提高施工效率，鉆機設計采用了非對稱結構的倍程給進機構，該機構使二級給進油缸的行程減少一半，進而使鉆機軸向尺寸減小，同時二級給進油缸的有效推力減小一半。鉆機工作時，一級給進油缸帶動給進機身前后移動，二級給進油缸通過環繞在給進桿組件上的鏈條帶動動力頭前后移動，動力頭移動速度及行程均是二級給進油缸的2倍。非對稱結構給進裝置的結構示意圖如圖2。

圖2 非對稱結構給進裝置結構示意圖Fig.2 The feeding mechanism of asymmetric structural diagram

1）給進油缸的選擇。根據設計參數要求：給進力為20 kN，起拔力為10 kN，液壓系統額定給進壓力為18 MPa。參選油缸廠家的缸徑/桿徑系列，選擇63/45的液壓油缸。根據倍程給進機構的特點給進力和起拔力公式為：

式中：F1為給進油缸的給進力，N；F2為給進油缸的起拔力，N；p為液壓系統額定給進壓力，Pa；D為無桿腔直徑；d為有桿腔直徑。

2）鏈條的選擇。根據倍程給進機構的特點，鏈條所承受的最大拉力與給進力相同，選取鏈條的安全n系數為6，因此，所選鏈條型號為24A-1，極限拉伸載荷為127 kN。鏈條的安全系數計算公式如下：

n=Fu/F=Fu/F1

式中：n為許用安全系數，一般為4～8；Fu為鏈條的極限拉伸載荷，N；F為鏈條所承受的最大拉力。

2.2 防水式回轉器

防水式回轉器結構示意圖如圖3。回轉器是鉆機的核心部件，由液壓馬達、箱體、防水組件、水便組件和水便軸組成，其功能是驅動鉆具實現回轉。液壓馬達為擺線馬達，通過傳動軸帶動水便軸回轉，水便組件與水便軸連為一體，上下鉆桿無需拆裝，提高了鉆進效率。為了防止鉆進過程中水及雜質進入箱體，在箱體與水便軸之間設計有防水組件，保證鉆機的正常工作。

圖3 防水式回轉器結構示意圖Fig.3 The water proof gyrator structural diagram

2.3 開芯式負載敏感液壓系統

鉆機工作所用的動力液由掘錨一體機的液壓系統提供，采用開芯式負載敏感液壓系統。鉆機液壓系統原理圖如圖4。

圖4 鉆機液壓系統原理圖Fig.4 The schematic diagram of drilling rig hydraulic system

掘錨一體機啟動后，其泵組輸出的高壓液壓油通過流量閥1進入五聯工作閥，當五聯工作閥對應的手柄無操作時，高壓液壓油經回油濾油器和冷卻器流回掘錨一體機油箱；當操作五聯閥對應的手把可控制液壓馬達、一級給進油缸、二級給進油缸、調角油缸和回轉減速器的動作；其中，五聯工作閥中的第二聯為慢速給進閥，第三聯為快速給進閥，一級給進油缸和二級給進油缸為并聯關系，通過梭閥可以實現一級給進油缸和二級給進油缸的快慢順序動作，其中慢速給進還可以通過流量閥2調節給進速度。此外，在調角油缸的控制回路中設有平衡閥，保證鉆機的工作安全性，在回轉減速器的控制回路中設有液壓鎖，保證鉆機的工作穩定性。

3 鉆機型式試驗

鉆機裝配完成后在國家安全生產西安鉆機檢測檢驗中心進行了負載運轉性能測試，回轉器負載性能實測數據見表1。數據表明鉆機轉矩、轉速均達到設計要求。此外，鉆機還進行了空載運轉性能、整機效率、溫升及過載等多項試驗，測試各項技術指標均滿足設計要求。

表1 回轉器負載性能實測數據Table 1 The gyrator measured data of load performance

4 結語

1）MJZ-400/300E型煤礦用機載錨桿鉆機的結構設計合理，其液壓系統實現了與掘錨一體機的一體化設計，滿足掘錨一體機掘進工作面上排錨桿支護施工要求。

2）鉆機非對稱結構兩級給進裝置的設計，最大程度減少了空間尺寸，也減少了加、卸鉆桿工序的輔助操作時間，可以實現錨桿支護的快速施工。

3）鉆機性能測試的各項技術指標均滿足設計要求，提高了掘錨一體機在掘進工作面的適用性。