綜采工作面頂板探煤厚鉆機強度分析

劉 偉， 賀昌斌， 柴樹剛， 謝 苗， 劉治翔

（1.中煤平朔集團井工一礦，山西 朔州 036000；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

目前煤礦井下綜采工作面頂板煤厚探測主要依靠人工操作鉆機、煤電鉆來進行鉆探，在探煤厚時頂幫容易掉下煤塊，導致人員被砸傷，安全性差，人工接、拆鉆桿，工人勞動強度高，鉆探效率低，鉆探時需要采煤機、刮板輸送機長時間停機等待，嚴重影響煤炭開采效率。 而目前機械化鉆孔設備結構復雜、環境適應性差，無法適用于在狹長、空間受限的綜采工作面。

為了獲取煤礦井下采區和工作面內確切的煤層厚度資料，為礦井進一步圈算煤炭儲量和測算回采率，為采區設計和生產提供準確、可靠的技術依據，以便合理組織采掘工程，合理開發、利用煤炭資源，減少損失，研發試制一種操作便捷、靈活性高、移動和回收方便的專用于綜采工作面頂板探煤厚鉆機， 從而提高鉆探效率、 保障工人安全、降低工人勞動強度。

1 綜采工作面頂板探煤厚鉆機設計總體設計

1.1 綜采工作面頂板探煤厚鉆機總體結構

為保證綜采工作面回采煤層煤炭資源的最大限度回收，利用現有鉆探技術及裝備結合井下的工作環境，設計出滿足綜采工作面回采煤層探頂煤厚需求的新型鉆機。本鉆孔機械手總體結構圖見圖1， 圖中主要組成部件如下說明。

圖1 鉆孔機械手總圖Fig.1 General drawing of drilling manipulator

該鉆孔機械手是由：操作臺、主車體、伸縮液壓缸、側邊導輪、連接桿、翻轉框架、 翻轉液壓缸、氣動鉆機、展開框架、車輪座、行走車輪、氣動馬達、馬達支架等部分組成的“兩翻轉兩平移”式結構。

設備技術參數，見表1。

表1 設備總體技術參數Tab.1 Overall technical parameters of equipment

1.2 工作原理

工作過程有兩種方式分別對應兩種工況。

第一種方式適用于常用工況：設備主體借助卡軌器，通過行走驅動到達指定位置后， 操作手柄使鉆機翻轉油缸將鉆機及其配合導軌順時針翻轉一定角度， 使俯仰角度到合適位置。 驅動進給油缸使鉆機導軌沿鉆機滑道移動直至頂住煤巖或液壓支架，完成支撐固定。最后推進鉆機打孔作業。

第二種方式適用于需要鉆機垂直采煤工作面打孔作業的情況。設備主體到達指定位置后，由人工推動水平回轉支架至鉆機面向液壓支架 （回轉支架垂直于采煤工作面）。 鉆機水平回轉架上突出的支承板應支撐在中部槽上，完成初步支撐作用。繼續操作手柄改變鉆機俯仰角度到合適位置。 驅動進給油缸使鉆箱導軌沿鉆機滑道移動直至頂住煤巖或液壓支架，完成支撐固定。最后推進鉆機打孔作業。

鉆孔機械手主要用于隧道頂部巖壁鉆孔探深， 當進行鉆孔工作時， 行走馬達驅動行走輪將設備前引至選定位置。 設備在回轉驅動馬達的控制下將鉆機伸縮導軌有水平狀態旋轉至垂直頂板并固定，補償油缸動作，將鉆機向頂板方向推送， 當鉆機導軌前端面頂至液壓支架頂梁時停止，實現鉆機高度補償，隨后驅動鉆機對隧道頂部巖壁進行鉆孔探深

本設計的探頂厚鉆機， 主要用于平朔煤礦的綜采工作面回采煤層探煤厚工作。 該探頂厚鉆機主要有三種工作狀態：儲存運輸狀態；探頂厚鉆機工作狀態；出于前兩者之間存在過渡狀態。

下面結合圖示介紹本設備工作全過程：

（1）定位及展開過程：①儲存狀態。 儲存狀態下鉆進裝置沿工作面方向水平放置， 機架上的鉆機載板對鉆機起到支撐作用，防止鉆機掉落。 此時設備所占空間最小。有利于運輸與儲藏；②鉆機定位。在運輸過程中通過底盤一側的行走裝置與銷排配合來實現探頂厚鉆機的運輸，以使鉆機到達預工作面或撤離工作面， 推動行走馬達控制手柄至右（或左）側，驅動行走輪使設備向前運動，直至設備到達指定位置；③旋轉鉆機。過渡狀態主要完成探頂厚鉆機工作前的初步定位工作， 當鉆機達到預定工作面時行走裝置進行自鎖保證探頂厚鉆機暫時的穩定。 推動回轉驅動馬達控制手柄至前進位， 鉆機伸縮導軌順時針運動，使設備鉆機部分達到豎直位置并自鎖，保持鉆機暫時穩定，見圖2；④高度補償。 將補償油缸手柄推至展開位置，補償油缸展開，鉆機沿伸縮導軌向上運動頂在液壓支架頂梁下，實現鉆機高度補償及支承。將卡軌器卡緊銷排，此時補償進給液壓缸通過油缸的伸縮將鉆進體送到液壓支架頂板處，使其與頂板充分接觸并與卡軌器相配合增加了探頂厚鉆機的穩定性，見圖3。

圖2 鉆機旋轉示意圖Fig.2 Schematic diagram of drilling rig rotation

圖3 鉆機補償示意圖Fig. 3 schematic diagram of drilling rig compensation

（2）工作狀態。 工作時，機架及伸縮導軌實現對鉆機的固定，鉆機在推進器的推動下，向上進行鉆探。 鉆機在工作中判斷煤巖性質的方法是通過較為成熟的巖性識別技術與人工觀察相配合的方式進行煤巖性質的識別，根據設置鉆桿和進給液壓缸上的扭矩和壓力傳感器反饋回來的壓力信號經過分析處理來初步判斷煤巖的性質，當鉆桿和進給液壓缸的扭矩和進給壓力曲線發生較大變化時且持續一段時間后，說明此時的煤巖性質已經發生了變化，在產生此現象的同時觀察探頂厚鉆機頂部排渣裝置出口處的鉆屑情況，進一步確定煤巖性質。

（3）回收過程。 折疊過程與展開過程步驟相反，分別為撤回鉆機、操補償油缸手柄鉆機伸縮導軌歸回至原位、推動操作臺手柄使鉆機逆時針轉動到初始位置。

2 總體參數確定

使用ANSYS 對探煤厚鉆機在工作工況下的強度、變形量和屈曲進行分析和驗證。鉆機材料采用的是Q355。彈性模量，E=210000（N/mm2）；剪切模量，G=81000（N/mm2）；泊松比：μ=0.3。如果σs/σb＜0.7，則σa=σs/n；如果σs/σb≥0.7，則σa=0.41（σs+σb）/n。

表2 材料Q355 許用應力表（MPa）Tab.2 Material Q355 allowable stress table（MPa）

構建有限元分析模型見圖4。 鉆機模型中結構自重：320kg。 鉆機載荷：20000N。 鉆機載荷水平分量（按偏角3°計算）：1047N。

圖4 鉆機分析有限元模型Fig.4 Finite element model for drilling rig analysis

通過有限元計算得到的結果見圖5。

圖5 有限元計算結果Fig.5 Finite element calculation results

有限元計算可知，平移底座最大綜合應力σmax=37.8MPa＜σa，回轉臂架最大綜合應力σmax=66.3MPa＜σa， 俯仰臂架最大綜合應力σmax=205.8MPa＜σa，連桿最大綜合應力σmax=65.3MPa＜σa， 機械手結構整體變形最大變形量：6.1mm。 機械手結構1階屈曲特征值：24.3。

由上述計算分析可知，在鉆機載荷為20000N 并考慮最大偏角為3 度的情況下，機械手各工況下的強度、變形以及屈曲均滿足相關工作要求。

3 鉆機現場應用

本項目研制的綜采工作面頂板探煤厚鉆機已在平朔公司井工一礦19111 綜放工作面進行了測試。19111 綜放工作面，工作面傾向起伏角度不大于7°、一般3°～5°，工作面長度281.9m、起伏角度不大于0°～5°，煤質硬度f=2～4。頂板多為砂質泥巖、炭質泥巖及泥巖，底板以砂質泥巖為主，局部為炭質泥巖或砂巖。輔運順槽凈高3.5m 寬5.2m，回風順槽高3.5m 寬5.2m，切眼凈高3.5m 寬10m，均為矩形巷道。 工作面設計采高3.5m。 測試步驟如下：

（1） 在19111 工作面上平均每30m 選取1 個測試位置，共計10 個測試位置，如圖1 所示。 在兩個支架頂梁之間的縫隙處進行頂煤厚鉆探試驗。 根據每個測試位置頂板的好壞酌情向兩側移動若干支架，重新選取測試位置。

（2） 測試時首先將頂煤厚鉆機通過起吊裝置從液壓支架處的安裝座上移動到刮板輸送機中部槽上。

（3）接上風管，控制鉆機行走裝置將頂煤厚鉆機移動到需要測試的位置。

（4）接上乳化液管和水管，控制鉆機從兩個支架頂梁之間的縫隙處向上鉆探。

（5）當鉆探阻力明顯增大，鉆孔過程中流出的廢水較之前不再污黑，說明已鉆到頂板巖石處，記錄鉆探過程中的鉆桿數量和當前鉆桿的鉆進深入即為頂板煤層厚度。

（6）拆除乳化液管和水管，控制鉆機行走裝置將頂煤厚鉆機移動到下一個需要測試的位置。

（7）重復步驟（4）～步驟（6）完成對整個工作面的頂煤厚鉆探試驗。

現場位置布置和測試情況見圖6、圖7。

圖6 測試位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of test location

圖7 頂板探煤厚鉆機現場測試Fig.7 Field test of roof thick coal drilling rig

通過為期一個月的19111 工作面頂板探煤厚現場測試，得到相關數據繪制見圖8、圖9。

圖8 工作面頂板煤厚鉆探測試數據示意Fig.8 Illustration of test data of roof coal thickness drilling in working face

圖9 工作面煤層厚度模擬圖Fig.9 Simulation diagram of coal seam thickness in working face

通過現場測試可知：①綜采工作面頂板探煤厚鉆機滿足工作和功能要求；②工作面頂板探煤厚鉆機測得19111 工作面頂板煤厚平均值為12.8m， 與前期人工鉆探深度基本一致，滿足工作要求； ③每個鉆孔時間在5min 左右，測試期間測試的總時長在70min左右。 通常每個工作面每次鉆孔僅需要鉆探3～5 個孔位， 因此鉆探需要耗時30～40min， 相比傳統人工鉆孔效率提高30%左右。

4 結論

為保證綜采工作面回采煤層煤炭資源的最大限度回收，利用現有鉆探技術及裝備結合井下的工作環境，設計出滿足綜采工作面回采煤層探頂煤厚需求的新型鉆機。該綜采工作面頂板探煤厚鉆機的動力源為綜采工作面現場的乳化液和氣源。乳化液為鉆機的油缸提供動力，氣源為鉆機和行走馬達等提供動力。鉆機采用架式回轉機構，可以實現鉆機水平與豎直在一定角度的自由回轉。該鉆機能進行折疊回收減小存放體積，能夠在煤礦井下空間狹小的工況條件下應用。 工作面頂板探煤厚鉆機測得19111 工作面頂板煤厚平均值為12.8m，與前期人工鉆探深度基本一致，滿足工作要求。綜采工作面頂板探煤厚鉆機滿足工作和功能要求。