綜采工作面頂板探煤厚鉆機設計與研發

劉治翔， 張云升， 劉 偉， 謝 苗， 劉 剛

（1.遼寧工程技術大學， 遼寧 阜新 123000； 2.中煤平朔集團井工一礦， 山西 朔州 036000）

0 引言

煤炭資源在地下分層分布，開采過程中，需要一層一層的開采，為了保證工作面上煤炭資源的最大限度回收，每采空一層需要了解下一層煤層的厚度及巖石的分布，此時需要在當前煤層進行探煤層厚度的工作。 煤礦井下的工作空間有限，一些大型的鉆探設備并不適用，現今所采用探煤層厚度的工具為手持式錨桿機，該設備在工作時需要人工扶持，由于錨桿機鉆孔破碎巖石的過程中產生強烈振動造成設備的穩定性較差， 從鉆孔中掉落的煤渣導致現場操作人員工作環境惡劣，同時操作該設備時操作人員距離鉆孔位置較近存在冒頂片幫的安全隱患。

因此，為了改善工人作業的安全性，提高鉆探作業的工作效率，急需研發一種操作便捷、結構小巧、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。

礦用鉆機經過長期的發展，經過眾多專家學者的潛心研究，已有了一定的成果：陳威等[1]發明了一種通過使用變頻電機加定量馬達的變頻調速液壓系統克服了原有液壓系統的缺陷。 新液壓系統對鉆機工作介質要求有所降低，并有低故障高效率的特點。 田士杰等[2]根據已有鉆機形式，設計出一款分體式并且可以在一定范圍內自由打孔作業的鉆機，實現多角度打桿，解決了原有鉆機定位困難，影響鉆孔效率的問題。 王艷青等[3]對已有鉆機工作原理及結構特性進行研究，并通過功能分析法完成動力頭部分的設計，并驗證了該方法下的設計結果是否可行。

1 鉆機主要技術參數確定

本章節對本文所設計的頂板探煤厚鉆機的關鍵技術參數進行確定。 頂板探煤厚鉆機的設計工作依據現場工況所需液壓錨桿鉆機進行配套設計。

（1） 轉速確定。 設備要求能夠適應的普氏硬度范圍為：f≤8 的煤巖。 需選擇合適的液壓錨桿鉆機。 根據巖石破碎機理。普氏硬度系數與鉆機切削速度存在以下關系：

式中：d—為鉆頭直徑（mm）。

目前常用錨桿尺寸有27mm、32 mm、42 mm。 對于普系數為8 的煤巖層來說。 由以上兩式可推出鉆機所需理論額定轉速。

（2）功率確定。 依據能量守恒原則，鉆機破巖時需消耗的功率可由下式表述：

2 頂板探煤厚鉆機設計

2.1 頂板探煤厚鉆機總體結構設計

本方案通過吊裝平臺將鉆孔機械手始終吊裝于液壓支架頂板下方。 鉆孔作業時通過旋轉平臺、 水平推移平臺、 垂直旋轉平臺的聯合動作將鉆機體推送至需要鉆孔的位置。 鉆孔作業完畢時，再將鉆機體折疊至初始位置。

設備基本結構如圖1 所示。

圖1 綜采工作面回采煤層旋轉式探頂煤坑道鉆機示意圖Fig.1 Schematic diagram of the rotary top coal tunnel drilling rig for coal mining at a fully mechanized mining face

2.2 頂板探煤厚鉆機工作原理

通過拓撲優化設計，最大程度降低各機構的高度，使鉆孔機械手折疊至初始狀態時的高度最小，存儲在液壓支架頂板下方時，無論工作面高度怎么變換，液壓支架處于何種狀態，均不影響采煤機通過。

由于鉆孔位置不一定始終在液壓支架一側， 要通過判斷兩個液壓支架之間煤層頂板破碎程度確定鉆孔位置， 水平旋轉平臺可實現將鉆機體旋轉到液壓支架兩側的鉆孔位置。

水平推移平臺和旋轉平臺的聯合動作可將鉆機體推送至需要鉆孔的位置。 垂直旋轉平臺可將水平放置的鉆機旋轉至垂直放置，從而進行鉆孔作業。通過快速拆卸機構也可將鉆機體從機械手上拆除， 移動到更遠位置進行鉆孔作業，見圖2。

圖2 綜采工作面回采煤層旋轉式探頂煤坑道鉆機展開示意圖Fig.2 Schematic diagram of the deployment of the rotary top coal tunnel drilling rig in the coal seam of a fully mechanized mining face

2.3 關鍵結構有限元分析

（1）承載部有限元分析。承載部直接與液壓支架頂板固接，是整個設備的承重件，在加入重力影響的同時，對其末端施加其余零部件造成的載荷， 求解其形變及應力狀態云圖，見圖3。

圖3 承載部有限元分析云圖Fig.3 Finite element analysis cloud diagram of the bearing part

（2）回轉部有限元分析?；剞D部與承載部通過鉸鏈相連，可在±25°范圍內繞鉸接點轉動，其主要受到來自推移部和鉆機部分的載荷，為模擬最大受力狀態，對其前端加載進行有限元分析，結果如圖4 所示。（3）推移部有限元分析。 推移部相對回轉部可滑動，當推移部從回轉部伸出時，其結構受力最明顯， 故在添加重力條件下， 對其與鉆機鉸接處施加載荷，得到分析云圖，見圖5。

圖5 推移部有限元分析云圖Fig.5 The finite element analysis cloud diagram of the moving part

由有限元分析數據可以看出， 各關鍵零部件受力情況均在允許范圍內。

3 設備液壓系統設計

鉆機液壓回路作用為調整設備工作位置，在設備工作時為鉆機提供壓入煤巖的進給力。 對于不同硬度的煤巖，鉆機鉆削破巖阻力變化，鉆進的最優推力也不同。 為保證鉆進效率鉆進速度與退回速度響應大于進給速度。 設計時采用進油節流調速的方式，通過單向閥與節流閥配合使油缸速度按一定比例伸出和縮回。 液壓系統中設置溢流閥，防止系統過載，起到保護回路作用。 具體原理圖見圖6。

圖6 設備液壓系統圖示Fig.6 Diagram of the equipment hydraulic system

4 結束語

本文根據實際工況需求，完成綜采工作面頂板探煤厚鉆機選型及配套設計。 設計方案具有良好的收納性和靈活性， 可以滿足井下復雜情況的施工要求。 通過有限元法分析配套結構的靜力學特性， 得到形變及應力云圖，通過結構優化使得各部件具備良好的力學性能， 能夠滿足實際需求。 最后采用節流調速方式完成液壓系統設計，滿足設備動作需求，提高設備操作性。