煤礦巷道組合式錨桿鉆機支護平臺設計與應用*

汪勁濤

(山西省能源發(fā)展中心，山西 太原 030000)

0 引 言

隨著快速掘進技術的不斷發(fā)展，煤礦巷道支護變得越來越重要，煤礦巷道圍巖的支護是保證煤礦產(chǎn)量和井下人員的生命健康安全的重要保障[1]。傳統(tǒng)的煤礦巷道支護采用的是單機支護，也就是通過工人手持錨桿鉆機進行單根錨桿的鉆進，鉆孔效率不高、鉆孔工人的勞動強度比較大，鉆孔精度受工人經(jīng)驗的影響較大，嚴重影響了巷道施工的進度，傳統(tǒng)的錨桿鉆機已經(jīng)不適合當下的快速掘進和支護系統(tǒng)的發(fā)展[2]。

隨著我國煤炭開采科技領域的不斷發(fā)展，對煤礦巷道支護提出更高的要求。傳統(tǒng)的單體錨桿鉆機已經(jīng)無法滿足當前的掘進速度和支護速度，筆者設計了一種煤礦巷道組合式錨桿鉆機支護平臺，具有履帶式移動裝置、錨桿鉆孔裝置、頂部圍巖臨時支護裝置等，可以實現(xiàn)對頂部圍巖、側幫圍巖的同步鉆進，一次完成多根錨桿孔打鉆，一次完成對頂幫和側幫圍巖的加固，促進了巷道支護效率，對于提高煤礦產(chǎn)量和掘進量具有重要的意義。

1 組合式錨桿鉆機支護平臺結構設計和參數(shù)化建模

錨桿鉆機是目前煤礦巷道支護中的關鍵支護設備，一般與掘進機進行配套，掘進與支護轉載同步是未來的發(fā)展方向。煤礦井下巷道掘進工作環(huán)境比較惡劣，長期處于多塵、潮濕以及噪聲大等環(huán)境中[3]。所以，組合式錨桿鉆機整體結構需要滿足煤礦井下復雜的工作環(huán)境條件要求，同時為保證實現(xiàn)多點同步打鉆，掘進機同步跟進，提高鉆孔速度和巷道支護速度，為此對組合式錨桿鉆機設計提出如下要求。

(1) 組合式錨桿鉆機在應對井下復雜條件的基礎上，保證結構足夠的強度和剛度，對頂板的臨時支護強度，具有一定的承載能力。

(2) 組合式錨桿鉆機采用液壓系統(tǒng)驅動，與掘進機共用一個液壓泵站，在遇到大偏載工況下完成對巷道頂部的支護和鉆孔，結構上具有較好的穩(wěn)定性。

(3) 結構組成方面，由運動機構、打鉆執(zhí)行機構、動力源等部分組成，保證組合式錨桿鉆機的前進性和通過性。

(4) 根據(jù)巷道支護的要求，完成頂部和側幫的鉆孔，實現(xiàn)一次同步5根錨桿的鉆進，滿足不同尺寸和長度錨桿的結構適配需求。

使用SolidWorks建立各個零部件的三維模型，隨后進行智能裝配，圖1所示為組合式錨桿鉆機聯(lián)合作業(yè)平臺結構組成圖。

圖1 組合式錨桿鉆機三維模型圖1.翻轉千斤頂 2.移動千斤頂 3.滑動架 4.頂梁平臺架 5.回轉千斤頂 6.支撐柱 7.側移平臺架 8.履帶 9.液壓缸固定架10.內(nèi)置液壓鋼 11.頂錨支撐架 12.頂部錨桿鉆機 13.側幫錨桿鉆機 14.起升液壓千斤頂 15.前梁

圖1中，組合式錨桿鉆機主要由履帶行走機構、排鉆千斤頂、支撐結構以及頂錨桿鉆機、幫錨桿鉆機等組成，結構比較簡單。可以使用履帶實現(xiàn)井下的移動和行走，并且可以實現(xiàn)對頂部的打鉆和側幫的打鉆，通過液壓系統(tǒng)進行控制，操作控制閥組實現(xiàn)對各個液壓油缸以及履帶行走機構進行控制，控制精度高，可靠性好，適合煤礦井下的環(huán)境。

2 組合式錨桿鉆機電氣液壓控制系統(tǒng)

組合式錨桿鉆機使用可靠性和穩(wěn)定性比較高的液壓系統(tǒng)進行控制，其中液壓系統(tǒng)是保證錨桿鉆機運行的關鍵部件。其中選擇的比例多路閥是采用雙重控制功能，一方面是實現(xiàn)手動控制，另外一方面可實現(xiàn)自動控制，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的冗余，利用多點控制可以保證出現(xiàn)故障后及時處理。在組合式錨桿鉆機中使用的是比例多路換向閥，在每一片比例閥上面都集成了一個定差減壓閥和梭閥，定差減壓閥控制閥片進出油壓差使其保持在恒定水平，梭閥主要是對閥動作時將信號傳遞給油泵。圖2所示為多路換向閥結構液壓系統(tǒng)原理圖。

圖2 負載敏感多路換向閥液壓系統(tǒng)原理圖1.控制閥 2.變量泵 3.變量缸 4.負載敏感閥 5.高壓切斷閥6.液壓缸 7.敏感單元

負載敏感多路換向閥液壓系統(tǒng)主要由控制閥、變量泵、變量油缸、負載敏感閥等組成[4]，其中的負載敏感多路換向閥是一個組合閥，整體上由連接塊、換向閥、尾板部件組成，負載敏感多路換向閥是為了控制液壓執(zhí)行元件(千斤頂液壓缸)的運動以及履帶執(zhí)行元件的運動方向和調節(jié)獨立于負載的運動速度，可以多個執(zhí)行元件同時進行運動，獲得不同的壓力值和流量值，通過負載敏感多路換向閥使所有執(zhí)行機構的流量總和達到泵輸出的最大的排量。圖3所示為閥組結構圖。

圖3 多路換向閥組示意圖

圖3為多路換向閥組結構示意圖，使用手動進行控制，調節(jié)各個閥口的開閉，其中負載敏感換向閥閥口前設有定差減壓閥，它的一側作用著換向閥出口的負載壓力和彈簧力，另一側作用著換向閥進口壓力，所以換向閥閥口前后的壓力差值由彈簧力決定。當閥口開度不變，閥口的流量基本不變，使得控制執(zhí)行元件的流量不受負載壓力的影響。

3 組合式錨桿鉆機電氣控制系統(tǒng)設計

組合式錨桿鉆機液壓系統(tǒng)主要采用的是WLZ-72型電氣液壓系統(tǒng)，主要包括了遙控發(fā)射器、遙控接收器、32位運動專用控制器、開關電源、液晶顯示器、負載敏感比例多路閥組等組成。通過手持遙控發(fā)射器實現(xiàn)對液壓錨桿鉆機的左幫錨、右?guī)湾^、行走框架、頂錨的各部分動作進行無線遙控控制。其中KXJ2-60/1140(660)礦用隔爆兼本質安全型電控箱，產(chǎn)品執(zhí)行國家有關隔爆產(chǎn)品的相關規(guī)定，本標準依據(jù)GB3836.1-2010爆炸性環(huán)境。具體控制流程如圖4所示。

圖4 組合式錨桿鉆機控制流程圖

組合式錨桿鉆機控制流程圖主要包括頂升過程、鉆進過程和復位過程，均采用手柄通過按鍵控制操作，電氣控制系統(tǒng)主要由隔爆兼本質安全型的控制柜、煤礦井下用的變壓器、電源開關和顯示器等部件組成，還包括信號線等附加配件，運動的控制器為移動設備以及車身的實際移動進行設計，利用可編程控制器進行控制，可編程控制器的軟件編程是利用CODESYS 3.5,符合IEC61131-3標準，支持IL、LD、SFC、ST、CFC、FBD六種編程語言。通過CAN總線采集各種傳感器信號，通過在控制器的輸出和輸出端子部分進行接線，輸出可以直接驅動電液比例閥、實際開關閥、電壓閥等多種閥組，最終采用運動專用控制器實現(xiàn)對主運動的控制。相對來講，使用這套控制系統(tǒng)可以達到比較高的控制精度，控制系統(tǒng)的可靠性比較高，能夠滿足煤礦井下復雜工況下的控制要求。

4 應用效果

圖5所示為組合式錨桿鉆機現(xiàn)場應用圖，通過現(xiàn)場應用表明：實現(xiàn)了多組錨桿鉆機的并排打鉆和臨時頂板支護，該套組合式錨桿鉆機能夠實現(xiàn)多臺錨桿鉆機的同步鉆進，控制系統(tǒng)精度較高，滿足對頂板的臨時支護強度要求，鉆進速度和壓力可調節(jié)，大大提高了煤礦巷道支護速度，有利于推進煤礦巷道開采速度和工程進度。

圖5 現(xiàn)場應用圖

5 結 語

由于傳統(tǒng)的錨桿鉆機僅僅能夠實現(xiàn)單獨打鉆，打鉆速度比較慢，從而引起支護速度比較慢，為此設計了1臺組合式錨桿鉆機支護平臺，利用SolidWorks建立三維模型方案，并設計了電氣液壓控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了多組錨桿鉆機同步打鉆，并且多個錨桿鉆機可以實現(xiàn)不同速度和不同壓力的鉆孔，適應不同的圍巖特性，大大提高了鉆孔的效率和速度，有利于實現(xiàn)快速支護，對于加快煤礦巷道支護，提高煤礦巷道支護水平具有重要的意義和價值。