機(jī)載錨桿鉆機(jī)研制及配套掘錨一體化設(shè)備應(yīng)用

賈華龍

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

目前在許多礦區(qū)，井下開采存在掘進(jìn)工藝落后的問題，掘進(jìn)與支護(hù)不能同步進(jìn)行，很大程度上制約著巷道掘進(jìn)速度，影響生產(chǎn)效率[1-2]。隨著煤礦開采水平的不斷提高，對掘進(jìn)技術(shù)要求也越來越高，需要將掘進(jìn)和支護(hù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)和支護(hù)施工的一體化連續(xù)作業(yè)。因此，需針對掘錨一體化設(shè)備進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)安全高效掘進(jìn)[3]。

郭愛軍[4]針對神東礦區(qū)存在煤巷掘進(jìn)效率低等問題，研制出ZJM4200 護(hù)盾式掘錨一體機(jī)，可實(shí)現(xiàn)一個循環(huán)掘進(jìn)1 m矩形巷道；賈志剛[5]采用EJM2×170 型掘錨一體機(jī)在馬脊梁礦進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得了良好的效果。霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司在原有綜掘設(shè)備基礎(chǔ)上，加裝機(jī)載錨桿鉆機(jī)、隨機(jī)液壓邁步式超前支護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)掘錨一體化，研究成果已申報(bào)2 項(xiàng)國家發(fā)明專利，其中1 項(xiàng)已授權(quán)，取得國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志，并在回坡底煤礦現(xiàn)場應(yīng)用。

1 綜掘機(jī)機(jī)載錨桿鉆機(jī)數(shù)值模擬研究

1.1 截割臂上端布置式機(jī)載錨桿鉆機(jī)

（1）上端布置式機(jī)載錨桿鉆機(jī)組成

掘錨一體化設(shè)備的總體見圖1，該設(shè)備以縱軸式掘進(jìn)機(jī)為載體，在其截割部上蓋板上設(shè)計(jì)安裝仿人鉆孔機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要由差補(bǔ)機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸展機(jī)構(gòu)、鉆機(jī)本體四大部分組成?？紤]到機(jī)構(gòu)中驅(qū)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(hù)，為此，研發(fā)了一套由計(jì)算機(jī)控制的打錨桿孔系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)打錨桿過程的自動。錨桿鉆機(jī)控制系統(tǒng)主要由：控制面板、顯示屏、計(jì)算機(jī)處理器、信號采集系統(tǒng)、模—數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)—模轉(zhuǎn)換器、放大器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。打錨桿孔系統(tǒng)可以根據(jù)輸入的巷道端面大小和設(shè)置的錨桿孔位置進(jìn)行自動打錨桿孔工作。打錨桿孔系統(tǒng)工作時，當(dāng)巷道端面規(guī)則時，采用自動過程打錨桿；當(dāng)巷道端面不規(guī)則時，采用手動過程打錨桿。

圖1 截割臂上端布置式機(jī)載錨桿鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

①差補(bǔ)機(jī)構(gòu)

差補(bǔ)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)錨桿鉆孔位置，將錨桿處于一條直線上，進(jìn)而對巷道頂部W 行梁進(jìn)行錨固。該機(jī)構(gòu)采用兩個差補(bǔ)液壓缸同時伸長用于推動推進(jìn)板，進(jìn)而帶動兩臺錨桿鉆機(jī)沿著蓋板滑道向掘進(jìn)機(jī)前部移動，兩個差補(bǔ)液壓缸分別伸長、收縮時可以帶動兩臺鉆機(jī)繞推進(jìn)板轉(zhuǎn)動，進(jìn)而保證錨桿處于一條直線。

②翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

當(dāng)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(jī)翻轉(zhuǎn)到豎直狀態(tài)，此處需要翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的翻轉(zhuǎn)液壓缸對錨桿鉆機(jī)進(jìn)行上下翻轉(zhuǎn)，錨桿鉆機(jī)翻轉(zhuǎn)角度0°～120°。

③伸展機(jī)構(gòu)

在打巷道側(cè)幫鉆孔時，本設(shè)備設(shè)計(jì)了伸展機(jī)構(gòu)，使錨桿鉆機(jī)能夠在豎直方向擺動，使得錨桿鉆機(jī)鉆孔方向和煤壁間角度滿足支護(hù)要求，擺動范圍為0°～110°。

④鉆機(jī)本體

鉆機(jī)本體包括主機(jī)架、液壓馬達(dá)、支護(hù)裝置、雙倍程推進(jìn)機(jī)構(gòu)組成。

（2）基于ADAMS 的掘錨一體化設(shè)備驗(yàn)算

采用ADAMS 軟件建立掘錨一體化設(shè)備的三維模型，然后針對模型各點(diǎn)的受力情況進(jìn)行分析，輸出翻轉(zhuǎn)液壓缸和伸展液壓缸與錨桿鉆機(jī)轉(zhuǎn)角的受力曲線圖，驗(yàn)證設(shè)備的設(shè)計(jì)是否符合要求。

圖2 翻轉(zhuǎn)液壓缸模擬受力曲線

圖3 翻轉(zhuǎn)液壓缸理論受力曲線

由圖2 可知，當(dāng)錨桿鉆機(jī)轉(zhuǎn)角為0°時，翻轉(zhuǎn)液壓缸受推力最大，為-50 kN，液壓缸推力隨著轉(zhuǎn)角的增大而逐步減小，當(dāng)轉(zhuǎn)角為90°時，液壓缸受力趨近于0，此時錨桿鉆機(jī)所受力全部由傳動軸承擔(dān)。超過90°時，液壓缸受到的拉力隨著轉(zhuǎn)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(shè)備翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)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(jī)構(gòu)設(shè)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(tài)可知，鉆頭運(yùn)行平穩(wěn)，滿足使用需要，設(shè)計(jì)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(shè)備將掘進(jìn)機(jī)和錨桿鉆機(jī)緊密的聯(lián)系在一起，可以實(shí)現(xiàn)同時作業(yè)，且掘進(jìn)機(jī)和錨桿鉆機(jī)共用一個液壓泵，既節(jié)省資源，又節(jié)約了巷道作業(yè)空間。此設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、受力合理的特點(diǎn)，可以在現(xiàn)場靈活應(yīng)用。

1.2 截割臂兩側(cè)布置式機(jī)載錨桿鉆機(jī)

（1）兩側(cè)布置式機(jī)載錨桿鉆機(jī)組成

圖8 兩側(cè)布置式機(jī)載錨桿鉆機(jī)

雙側(cè)布置式機(jī)載錨桿鉆機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、受力合理、活動范圍大，通過調(diào)整兩側(cè)切割臂的位置，不但可以鉆進(jìn)頂部錨桿，而且可以鉆進(jìn)側(cè)幫錨桿。

設(shè)備構(gòu)成由切割臂雙側(cè)裝有固定板，鋪設(shè)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(jī)沿截割頭方向伸出或者縮回。伸縮滑板上鉸接有翻轉(zhuǎn)液壓缸，底座上鉸接有活塞端；翻轉(zhuǎn)液壓缸使得支座繞伸縮滑板旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步帶動鉆進(jìn)豎起，針對巷道頂板進(jìn)行鉆孔；對側(cè)幫進(jìn)行鉆孔時，利用翻轉(zhuǎn)液壓缸將鉆進(jìn)豎起，然后利用側(cè)翻液壓缸將鉆機(jī)放倒鉆孔。

（2）基于ADAMS 確定錨桿鉆機(jī)工作參數(shù)

使用ADAMS 建立掘錨的三維虛擬模型，分析兩側(cè)布置式機(jī)載錨桿鉆機(jī)在實(shí)際工作中的狀態(tài)：

①伸縮液壓缸受力分析

圖9 伸縮液壓缸受力變化規(guī)律

模擬錨桿鉆機(jī)工作狀態(tài)，得到伸縮液壓缸受力見圖9。當(dāng)在巷道較高處鉆進(jìn)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(dāng)在巷道較低處鉆進(jìn)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(zhuǎn)液壓缸受力分析

圖10 翻轉(zhuǎn)液壓缸受力變化規(guī)律

模擬錨桿鉆機(jī)工作狀態(tài)，得到翻轉(zhuǎn)液壓缸受力見圖10。當(dāng)在巷道較高處鉆進(jìn)頂板鉆孔時，翻轉(zhuǎn)液壓缸伸出起始時刻，受到了最大推力為14.891 kN；當(dāng)在巷道較低處鉆進(jìn)頂板鉆孔時，翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(cè)翻液壓缸受力分析

側(cè)翻液壓缸用于將鉆機(jī)側(cè)翻進(jìn)而搭設(shè)側(cè)幫鉆孔。此時支護(hù)裝置為水平狀態(tài)，需考慮錨桿鉆機(jī)質(zhì)心對側(cè)翻轉(zhuǎn)軸的扭矩問題。模擬結(jié)果見圖11，可以得到在巷道最寬處側(cè)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(cè)翻液壓缸的正常工作，取最大扭矩為7 500 N·m。

圖11 側(cè)翻液壓缸受力變化規(guī)律

2 隨機(jī)液壓邁步式超前支護(hù)系統(tǒng)研究

隨機(jī)超前支護(hù)系統(tǒng)是一種以提高機(jī)掘巷道的掘進(jìn)速度、減輕工人勞動強(qiáng)度、臨時支護(hù)面積大的液壓邁步式超前支護(hù)裝置，見圖12。該裝置與人工完成臨時支護(hù)工藝相比，顯著改善了工人勞動強(qiáng)度，提高了掘進(jìn)工藝操作的安全性，大大提高了支護(hù)速度。掘進(jìn)機(jī)在有限的巷道空間實(shí)際作業(yè)時，隨機(jī)超前支護(hù)系統(tǒng)跨在掘進(jìn)機(jī)上，獨(dú)立邁步式前進(jìn)，像一頂棚罩在掘進(jìn)機(jī)工作面上方，不會影響掘進(jìn)機(jī)操作人員在掘進(jìn)作業(yè)時的視線。該系統(tǒng)能在掘進(jìn)過程中始終支護(hù)頂板，消除空頂作業(yè)。不僅保證掘進(jìn)工作面的安全生產(chǎn)，而且實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作的一掘多錨，多工序平行作業(yè)，提高掘進(jìn)效率。

圖12 隨機(jī)超前支護(hù)系統(tǒng)

3 配套運(yùn)輸工藝

在運(yùn)輸工藝方面，采用綜掘機(jī)配套自移式皮帶輸送機(jī)進(jìn)行連續(xù)運(yùn)輸作業(yè)，通過掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸三大工序合理銜接，實(shí)現(xiàn)同時作業(yè)，提高掘進(jìn)效率。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

目前，回坡底礦已完全淘汰了炮掘工藝，采用掘、錨、運(yùn)、超前支護(hù)一體化綜掘設(shè)備系統(tǒng)。礦井8個掘進(jìn)工作面，綜掘機(jī)在冊共9 臺。其中：EBZ160綜掘機(jī)2 臺、EBZ200 綜掘機(jī)2 臺、EBZ260H 綜掘機(jī)1 臺、EBZ300 綜掘機(jī) 2 臺、EBZ315 綜掘機(jī) 1 臺、EBZ318 綜掘機(jī)1 臺，全部安裝使用了機(jī)載臨時支護(hù)裝置，結(jié)合超前支護(hù)系統(tǒng)和配套運(yùn)輸設(shè)備，綜掘率達(dá)到了100%。巷道掘進(jìn)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(shù)倍，加快了首采面投產(chǎn)。減少炮掘等工序及原材料投入近400 萬元，累計(jì)節(jié)約掘進(jìn)費(fèi)用近1.5 億元，大大降低了生產(chǎn)成本，提高了工作效率，減輕了職工勞動強(qiáng)度。

5 結(jié)語

針對煤礦巷道掘進(jìn)機(jī)械化水平低下、速度較慢等問題，研制了綜掘機(jī)機(jī)載錨桿鉆機(jī)，配合超前支護(hù)系統(tǒng)及配套運(yùn)輸設(shè)備構(gòu)成掘錨一體化設(shè)備系統(tǒng)，并在回坡底煤礦得到了現(xiàn)場應(yīng)用。

1）基于ADAMS 對掘錨一體化設(shè)備模型各點(diǎn)進(jìn)行了受力分析，得到截割臂上端布置式機(jī)載錨桿鉆機(jī)、兩側(cè)布置式機(jī)載錨桿鉆機(jī)的相關(guān)工作參數(shù)，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(jī)械化掘進(jìn)工藝，提高了礦井單進(jìn)水平，大大降低了生產(chǎn)成本，提高了工作效率，為礦井實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)邁進(jìn)了一大步，值得其它礦井推廣應(yīng)用。