大斷面橫軸式掘錨機鉆錨系統的設計與應用

張 星，鞏孔正，周建龍

（西安煤礦機械有限公司，陜西 西安 710200）

引言

掘進是煤礦生產的核心環節之一，對礦井安全、生產布局和開采效率影響重大。煤巷、半煤巖巷的掘進約占煤礦巷道總工程量的70%，隨著重點煤礦高效集約化的深入，對巷道掘進進尺需求大幅增加。煤礦掘進面臨采掘失調、接續緊張、掘進隊伍龐大、安全管理難度大等突出問題，已成為制約礦井安全、高效、集約化生產的共性關鍵問題。

掘錨機組是適用于高產高效礦井煤礦巷道快速掘進的掘錨一體化設備，與連續采煤機和錨桿鉆車交叉換位施工相比，掘錨機組將掘進截割與錨桿支護有機地組合起來，減少掘進與支護設備的換位作業時間，在同一臺設備上完成掘進和支護工藝，適用范圍廣，支護效果、掘進工效進一步改善，被譽為煤礦巷道掘進的一次技術革命，其掘錨一體化技術在煤礦巷道快速掘進、提高錨桿支護效果及促進安全生產等方面具有很大的優勢[1]。

1 大斷面掘錨機的總體設計

如圖1所示為大斷面掘錨機總體設計圖。掘錨機主要由截割機構、裝載機構、運輸機構、滑臺機構、本體機構、鉆錨機構、超前探鉆機、臨時支護系統、液壓系統、除塵系統、電控系統、水系統及潤滑系統等組成，可配套錨桿錨索支護臺車、帶式轉載機、自移機尾、智能控制中心等，實現掘進面的截割、支護和割落煤巖的連續運輸等要求，建設掘錨同步、分段支護、連續轉運、高效除塵、集控與協同控制等功能于一體的智能化快速掘進系統，促進安全、高效、智能、快速掘進[2]。

根據小保當煤礦的需求，定制研發適應于大斷面膠運順槽（截割斷面寬度6.5 m、高度4.3 m）的掘錨機，相關參數要求如下：截割寬度6～6.5 m、高度3～4.65 m，截割功率300 kW，地隙210 mm，接地比壓0.28 MPa，鉆錨系統頂鉆2部+幫鉆2部，系統壓力25 MPa，噴霧+泡沫除塵，隔爆兼本質安全型電控系統。

圖1 大斷面掘錨機總體設計

2 鉆錨系統的設計

根據小保當煤礦賦存地質條件下的快速掘進裝備與支護工藝要求，對于掘錨機鉆錨系統的技術要求如下：

1）掘錨機錨桿鉆機布置為頂鉆2部+幫鉆2部，頂鉆與幫鉆間隔2 m。

2）正常情況下左頂錨鉆機完成MG6、MG7的錨桿，右頂錨鉆機完成MG11、MG12的錨桿；頂板不穩定情況下，盡可能滿足大范圍頂錨桿支護。

3）左幫錨鉆機完成MG4、MG5的錨桿，右幫錨鉆機完成MG13、MG14的錨桿。

4）其余的錨桿和錨索由后續的支護臺車來完成，從而實現分段支護、多鉆機并行作業，進一步提升掘進效率。如下頁圖2所示為小保當煤礦膠運順槽斷面支護工藝圖。

2.1 頂錨鉆機的設計

根據礦上順槽斷面支護工藝要求,頂錨桿鉆機需實現左右滑移、左右擺動、前后擺動、鉆進等功能要求，以符合實際頂錨桿支護作業的具體要求[3]。如下頁圖3所示為左頂錨鉆機結構圖。

圖2 小保當煤礦膠運順槽斷面支護工藝（單位：mm）

圖3 左頂錨鉆機結構

左右頂錨鉆機設計為中心對稱機構,基座固定在掘錨機的本體架上，滑架可在基座上通過推移油缸來帶動鉆機左右移動，行程1 000 mm；鉆機安裝座與滑架鉸接，通過前后擺動油缸，實現鉆機安裝座和鉆機前后擺動±5°；鉆機與鉆機安裝座鉸接，通過左右擺動油缸，實現鉆機向外側最大擺動15°、內側擺動5°，從而使頂錨桿鉆機具備多自由度要求，實現頂錨鉆機在寬度方向3 440～5 440 mm的范圍內垂直于頂板的頂錨支護；根據需求進行有角度頂錨支護，可實現距巷道中心線500 mm到側幫3 250 mm的支護范圍。

初始位置時，設計的頂錨鉆機鉆箱出口、撐頂機構分別距離基座底面710 mm、2 400 mm，鉆箱行程3 220 mm、撐頂機構行程1 580 mm，即頂錨鉆機最大支護高度可達4 670 mm，可適應頂板較破碎或有冒落等情況下的支護要求。

2.2 幫錨鉆機的設計

根據礦上順槽斷面支護工藝要求，側幫錨桿鉆機的功能需實現上下升降、上下回轉和鉆進等功能要求，以符合側幫錨桿作業的具體要求。如圖4所示為左側幫錨鉆機結構圖。

左、右兩側幫錨鉆機設計為中心對稱結構，固定座安裝在主機基座上，滑架升降油缸使滑架沿著固定座上的導向槽上下移動，同時可帶動側幫鉆機升降；滑動座由滑架導軌導向，并由倍速機構實現鉆機在滑架上2倍行程的升降；幫錨錨鉆機和滑動座通過螺旋擺動油缸連接，實現幫錨鉆機180°范圍內的旋轉。

圖4 左側幫錨鉆機結構

通過滑架升降油缸和倍速機構的聯合作用，使幫錨鉆機達到2 350 mm的升降范圍，實現垂直于側幫的錨桿作業高度距離底板為1 770～4 120 mm，可完全實現錨桿支護工藝中左右側幫上部3根幫錨的施工。

3 掘錨機控制流程設計

掘錨機執行動作繁多，作業流程復雜，控制系統為負載反饋的電液控制系統，有利于實現相關作業工序或流程的自動控制和功能閉鎖，避免誤操作引發事故。

掘錨機作業工序主要分為截割與錨護、移機；按控制模式設計為行走模式與錨護模式，操作流程要求如下：

1）當截割與錨護完成后，按下錨桿完成按鈕、再通過左右兩側的輔助按鈕+臨時支護下降按鈕，降下臨時支護；

2）切換到行走模式，行走電機啟動，設置延時后支撐和鏟板自動升起，同時操作行走閉鎖按鈕及左右行走手柄，設備方可行進；

3）當前進到位后，放下后支撐和鏟板，再通過左右兩側的輔助按鈕+臨時支護上升按鈕，撐起臨時支護；

4）切換到錨護模式，行走不能動作，截割、錨護、運輸機升降與機尾擺動等功能方可執行動作，實現掘支錨運一體化作業，同時極大地提高了各作業流程和功能間的安全性。

4 應用

首臺研發的大斷面橫軸式掘錨機，用于小保當煤礦112208膠運順槽長度為5 594 m，其設計在2-2煤層中，該煤層賦存于延安組第四段頂部，平均煤厚5.55 m，以厚煤層為主，采用沿底掘進方式，并預留300 mm的底煤。

經過初步應用，日進尺20 m，操作安全性高，故障率小，能夠掘錨同步；并且鉆錨高效快速，鉆孔位置準確；經過后期磨合，預計可穩產50 m/d以上，達到快速掘進的設計目的。新研發投入的國產大斷面橫軸式掘錨機，可有效降低我國在大斷面煤巷快速掘進裝備方面對國外產品的依賴，降低整機購置、配件及服務成本、縮減配件工期；同時提升了我國高端煤機研發與制造的技術水平，對于智能煤礦、智慧礦區的建設起到技術與裝備支撐。