掘錨一體機機載式探放水鉆機設計

宋亞新， 谷樹偉，， 于明生， 王永峰， 劉治翔

（1.國能包頭能源李家壕煤礦， 內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.遼寧工程技術大學 礦產資源開發利用技術及裝備研究院， 遼寧 阜新 123000）

0 引言

巷道掘進嚴格執行“有掘必探”措施，即采取“物探先行、鉆探驗證、化探跟進”的超前探測手段。巷道掘進前先物探、后鉆探，消除隱患后，方可掘進一定距離，到達允許掘進位置后再物探、鉆探，依次循環。在鉆探過程中，如果發現涌水現象，應及時采集水樣化驗，分析水質類型，辨別出水水源，采取防治措施。

目前綜掘工作面前探設備普遍采用相對獨立的煤礦用液壓鉆機，鉆探時，人工將液壓鉆機各部分運送到迎頭組裝，組裝完成后開始探測工作。 鉆孔的調整全部靠人工完成，探測完成后將液壓鉆機各組成部件拆解，搬運到掘進機后方放置。 整個鉆探工作流程復雜，反復搬運、裝拆輔助時間多，影響有效的工作時間，用人較多且工人勞動強度較大，嚴重影響掘進工作面的進尺速度。

掘錨一體化高效掘進是針對低應力煤巷， 基于掘錨一體化、空間多維度同步支護等技術，將掘進工程進行系統一體化設計，通過構建掘進、支護、運輸、除塵等工序的同步作業線，達到提高成巷效率的目的，最大限度降低了工人的勞動強度，改善了作業環境，減人提效，實現了煤礦掘、支、錨、運多功能機械化一體化作業。鉆探是影響掘進效率的另一大因素，然而，目前的掘錨一體機還不具有超前探測功能，根據調研結果，國內目前的煤礦對掘錨一體增加探測模塊的要求越來越迫切， 將掘錨一體機技術與鉆孔超前探測技術相結合，對解決“探測、掘進、支護、錨固”四大工序之間相互制約的矛盾具有重要意義。因此本文設計一種掘錨一體機機載式探放水鉆機。

1 掘錨一體機探放水作業工況分析

依據國能包頭能源李家壕煤礦31115 輔運順槽掘進工作面作業規程可知，掘進過程中，在掘進巷道內需要鉆探2 個探孔，每個探孔長度為230m，見表1。 探孔位置示意圖見圖1。

圖1 探孔位置示意圖Fig.1 Location of exploratory hole

表1 工作面超前探放水孔設計參數表Tab.1 Design parameters of advance exploration and drainage hole in working face

探放水技術要求：①探放水孔嚴格按設計開孔位置、仰角及方位角施工；②鉆孔均由ZDY 型煤礦用全液壓坑道鉆機施工；③各探放水鉆孔開孔直徑均為Φ75mm，鉆進深度：230m，鉆桿直徑：63.5mm；④安裝完畢后，以φ63.5mm 鉆桿施工至終孔；⑤施工過程中， 施工人員隨時用便攜儀檢測鉆孔周圍氣體濃度，一旦發現濃度異常，立即停止施工，以防發生安全事故；⑥施工過程中必須嚴格按規定詳細填寫班報表，加強現場技術管理，根據實際情況及時調整角度，采用適當的壓力、鉆速保證鉆孔打通，將上方采空區水量降到最低；⑦如發現水壓、水量突然增大、頂鉆、有氣體涌出等異常現象時，必須立即停止鉆進，不得拔出鉆桿，要立即向生產指揮中心（調度室）匯報。

2 機載式探放水鉆機總體方案

2.1 機載式探放水鉆機整體布局

本文根據煤礦井下“有掘必探”原則，針對現有掘進、錨固、支護、超前探測協調聯控問題，旨在通過在掘錨機上加載自動化超前探測設備以提高掘進效率， 減少工人勞動強度。鉆機是以掘錨機為載體，配置鉆孔機構和姿態調整機構，實現對煤礦掘進巷道的探水鉆孔作業，從而縮短鉆孔作業準備時間。 本課題研究的探放水鉆機總體方案見圖2。

圖2 超前探放水鉆機整機示意圖Fig.2 Schematic diagram of the whole machine of advance water exploration and drainage drilling rig

主要由探放水鉆機系統主要由三大部分組成， 分別是探放水鉆機系統、液壓泵站、操作臺及電控系統。 本項目將鉆探裝置合理集成在掘錨機上， 通過智能控制可減少人員勞動強度，增加鉆孔效率。探放水鉆機系統安裝在原有通風除塵風機處， 利用原有通風除塵風機的連接位置而無需在現有掘錨機上添加額外的連接裝置。

當掘進作業達到規定掘進深度時，整機由掘進狀態改為鉆探狀態，通過推移油缸將鉆探模塊推出至指定位置；利用回轉驅動調整鉆機水平轉角，達到指定鉆孔角度要求；調整俯仰驅動，調整鉆機俯仰角，通過以上幾種調姿機構復合動作可實現鉆機精準定位；進而利用自動鉆探模塊，實現智能化鉆孔作業，在調姿過程中，始終保證鉆探裝置與掘錨機本體無空間干涉問題。利用合理的作業工藝，保證各工序均衡，發揮掘錨一體機的最大工效，提高掘進效率。

掘錨機機身布置獨立鉆探操作臺， 預計1～2 名操作工人即可，同時該操作人員可在鉆探作業時輔助換桿、接桿作業，保證鉆探工作安全、有序進行。 由于鉆孔作業過程機械化程度高，無需操作人員進行高強度體力勞動，勞動強度低，勞動強度時間短；操作過程智能化程度高，操作方便，便于操作工人上手，最大化提高效率。

2.2 探放水鉆機系統工作原理

探放水鉆機系統在不工作時收縮在掘錨機原通風除塵風機處，工作時再伸展至靠近煤壁處進行鉆孔作業。超前探放水鉆機工作狀態見圖3，具體技術指標見表2。 探放水鉆機系統工作過程示意圖見圖4。

圖4 探放水鉆機系統工作過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of working process of water exploration and drainage drilling rig system

表2 掘錨一體機超前鉆探裝置的具體技術指標表Tab.2 Specific technical indexes of advance drilling device of all- in- one auger and anchor

圖3 超前探放水鉆機工作示意圖Fig.3 Working diagram of advance exploration and drainage drilling rig

3 超前探鉆機系統設計

在進行鉆機設計時，采用現代機械設計理論與方法，結合數字化設計軟件CAD、CAE 類， 依據自頂向下的設計理論進行設計。 即先設計出產品的初步方案及零部件之間的裝配約束關系，再進行零部件的詳細結構設計，其過程是一個從抽象到具體的不斷演化的設計過程， 一般情況下，這個過程劃分為需求分析、概念設計、詳細設計三個階段，設計過程見圖5。

圖5 自頂向下設計過程Fig.5 Top down design process

掘錨機機載折疊型鉆孔機械手安裝在掘錨機截割部上方，由翻轉折疊機構、前后推移機構及鉆機主機三大部分組成，其中翻轉折疊機構、前后推進機構完成鉆頭位姿的調整，鉆機本體完成鉆頭推進切削破巖工作。

布局設計階段，是進行產品總體方案的設計階段，項目負責人要根據產品的性能指標及設計周期等因素對產品設計及人員分配進行規劃。

項目負責人根據產品概念設計結果，繪制產品布局圖，確定產品子裝配及主要的零部件之間的裝配關系， 并根據產品的性能指標定義所需要達到的一些關鍵性能要求、功能參數、約束條件等，最后根據項目組的人員情況，將子裝配和各主要零部件設計任務分配給不同的設計小組或設計者。

探放水鉆機由多個子裝配組成： 固定滑道、 伸縮滑道、伸縮油缸、支座、水平旋轉驅動、俯仰旋轉驅動、行走馬達等組成，在三維設計軟件中，首先勾畫出鉆孔機械手在掘錨機中的外觀形狀及位置， 然后定義裝配鉆孔機械手兩個固定滑道兩個基準面，最后再定義兩個基準軸用于確定鉆孔機械手的位置。 將基準面和基準軸關聯到骨架和零件中，最后再增加尺寸、參數、關系式、空間參考基準、增加參數表與說明等，完成布局設計。

探放水鉆機系統安裝在原有通風除塵風機處， 探放水鉆機安裝位置見圖6。

圖6 探放水鉆機安裝位置示意圖Fig.6 Installation position of water exploration and drainage drilling rig

利用原有通風除塵風機的連接位置而無需在現有掘錨機上添加額外的連接裝置。探放水鉆機安裝固定方式見圖7。

圖7 探放水鉆機安裝固定方式示意圖Fig.7 Schematic diagram of installation and fixing mode of water exploration and drainage drilling rig

由于探放水鉆機安裝位置距離帶鉆孔的煤壁距離較遠，因此需要設計一套鉆機位置調整機構將鉆機推送到距離煤壁較近的位置，然后進行鉆機的姿態角度調整，最后進行鉆孔作業。 探放水鉆機姿態調整平臺結構見圖8。

圖8 探放水鉆機姿態調整平臺結構示意圖Fig.8 Structural diagram of attitude adjustment platform of water exploration and drainage drilling rig

探放水鉆機姿態調整平臺主要由主機框架、 一級伸縮框架、主機框架升降油缸、主機框架導桿、連接鉸耳、一級伸縮框架導桿、水平回轉驅動、鉆機水平回轉平臺等組成。探放水鉆機模塊固定在鉆機水平回轉平臺上。探放水鉆機模塊結構見圖9。

圖9 探放水鉆機模塊結構Fig.9 Module structure of water exploration and drainage drilling rig

探放水鉆機模塊主要由鉆機連接平臺、鉆機框架、鉆機動力頭、 鉆機動力頭推進油缸、 鉆機垂直旋轉回轉驅動、 支撐立柱、 支撐立柱回轉驅動一級液壓夾持器等組成。支撐立柱在探放水鉆機不工作時是水平放置的，在探放水鉆機工作時由回轉驅動擺至垂直放置， 用來支撐鉆機，提高鉆機作業時的穩定性。

4 結束語

本文設計了一種掘錨一體機機載式探放水鉆機。 分析了掘進工作面探放水作業工況和功能需求， 根據自頂向下的設計過程， 提出了新穎的超前探放水鉆機的整體結構和加裝于掘錨機上的安裝方式， 設計了超前探放水鉆機的機械系統。 通過對本課題設計研發的掘錨一體機機載式探放水鉆機在煤礦現場掘進工作面進行工業性試驗。利用早班檢修時間進行80～100m 的探放水鉆孔作業，即探放水鉆孔作業不占用掘進作業時間。 安裝在掘錨機上的探放水鉆機在準備工作階段要比分離的坑道式探放水鉆機能夠節約80%的時間。 根據現場反饋本課題研發的探放水鉆機具有較好的應用和推廣價值。