煤巷錨桿支護(hù)施工裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

康紅普，姜鵬飛，劉暢，王子越，羅超，郭吉昌，陳志良，曹曉明

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100013）

0 引言

我國井工煤礦巷道80%以上是煤巷與半煤巖巷，主要采用錨桿、錨索支護(hù)，很多煤礦巷道錨桿支護(hù)率達(dá)到90%以上，部分煤礦甚至達(dá)到100%[1-3]。錨桿支護(hù)技術(shù)包括煤巖體地質(zhì)力學(xué)測試與評估、支護(hù)設(shè)計、支護(hù)材料、施工工藝與裝備、監(jiān)測技術(shù)與儀器等[4]，其中，施工裝備是錨桿支護(hù)技術(shù)的重要組成部分，直接影響錨桿支護(hù)速度與質(zhì)量。

我國煤礦巷道絕大部分采用樹脂錨固錨桿，支護(hù)工序包括鋪網(wǎng)、上鋼帶或鋼筋托梁、鉆孔、卸鉆桿、安裝錨固劑、安裝錨桿、攪拌錨固劑及預(yù)緊桿尾螺母等。錨桿支護(hù)施工的核心裝備是錨桿鉆機(jī)。

錨桿鉆機(jī)經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程。在20 世紀(jì)50 年代煤礦最早采用錨桿支護(hù)時，使用鑿巖機(jī)鉆孔，鉆孔后需要人工安裝錨桿、用扳手預(yù)緊螺母。1985 年后我國煤礦引進(jìn)并自行研制了單體氣動錨桿鉆機(jī)，能夠完成鉆孔、安裝錨桿、攪拌錨固劑等工序。該錨桿鉆機(jī)輕便、靈活，目前仍是我國煤巷錨桿支護(hù)主要施工裝備。國內(nèi)外還研發(fā)出單體液壓錨桿鉆機(jī)、單體電動錨桿鉆機(jī)等單體施工裝備，以及錨桿鉆車、掘錨一體機(jī)、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)、跨騎式錨桿鉆車等集成化施工裝備。與單體錨桿鉆機(jī)相比，集成化施工裝備機(jī)械化程度高、施工效率高、勞動強(qiáng)度低，特別是掘錨一體機(jī)，可實(shí)現(xiàn)掘支平行作業(yè)、多機(jī)協(xié)作，錨桿支護(hù)速度與效率大幅提升，簡單條件巷道掘進(jìn)月進(jìn)尺達(dá)2 000 m 以上，個別超過3 000 m[5-6]。

近年來，隨著采煤技術(shù)與裝備的快速發(fā)展，采煤工作面推進(jìn)速度與產(chǎn)量顯著增加，工作面裝備已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，并向自動化、智能化邁進(jìn)[7]。相比之下，巷道掘進(jìn)技術(shù)與裝備比較落后，一般及困難條件下掘進(jìn)與支護(hù)速度慢，采掘失調(diào)問題越來越突出。在整個成巷時間中，錨桿支護(hù)用時占60%以上，是制約巷道快速掘進(jìn)最主要的因素[8]。由于錨桿支護(hù)的有些施工工序還依靠人工，很難實(shí)現(xiàn)自動化、智能化，所以，也成為制約煤礦智能化建設(shè)的卡脖子難題。

本文總結(jié)煤巷錨桿支護(hù)施工裝備發(fā)展歷程和最新進(jìn)展，介紹鉆錨一體化錨桿支護(hù)技術(shù)與裝備，分析存在的問題，展望煤巷錨桿支護(hù)施工裝備的發(fā)展方向。

1 國內(nèi)外煤巷錨桿支護(hù)施工裝備現(xiàn)狀

目前煤巷錨桿支護(hù)施工裝備主要有6 種形式，包括單體錨桿鉆機(jī)、錨桿鉆車、掘錨機(jī)（主要指綜掘機(jī)配置錨桿鉆機(jī)）、掘錨一體機(jī)、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)及跨騎式錨桿鉆車，如圖1 所示。

圖1 煤巷錨桿支護(hù)施工裝備分類Fig.1 Classification of rock bolting construction equipment in coal roadway

煤巷錨桿支護(hù)施工裝備發(fā)展歷程如圖2 所示。

圖2 煤巷錨桿支護(hù)施工裝備發(fā)展歷程Fig.2 Development of rock bolting construction equipment in coal roadway

1.1 單體錨桿鉆機(jī)

國外最早采用普通鑿巖機(jī)鉆孔，人工安裝錨桿，用扳手預(yù)緊螺母。20 世紀(jì)50 年代末，英國等國家研發(fā)了單體電動、液壓錨桿鉆機(jī)。錨桿鉆機(jī)能夠完成鉆進(jìn)、安裝、攪拌作業(yè)，在錨桿支護(hù)施工中逐步代替了鑿巖機(jī)。20 世紀(jì)80 年代，澳大利亞研發(fā)出氣動錨桿鉆機(jī)，相比于單體電動、液壓錨桿鉆機(jī)，氣動錨桿鉆機(jī)動力來源簡單、靈活可靠，單機(jī)可完成鉆孔與錨桿安裝，在全球各個采煤國家廣泛推廣應(yīng)用[9]。

在國內(nèi)，20 世紀(jì)60 年代煤炭科學(xué)研究總院上海研究院研發(fā)了FB 系列電動錨桿鉆機(jī)，受限于防爆電動機(jī)質(zhì)量大、可靠性與安全性差，未得到廣泛推廣。20 世紀(jì)80 年代初煤炭科學(xué)研究總院南京研究所研發(fā)了MZ-I 型、MZ-II 型單體導(dǎo)軌式液壓錨桿鉆機(jī)，上海研究院研制出MZ-III 型錨桿鉆機(jī)。此外，國內(nèi)企業(yè)也陸續(xù)研發(fā)出QYM、MYT100、MYT115、MYT120 等系列單體液壓錨桿鉆機(jī)。1985 年以來，隨著我國錨桿支護(hù)技術(shù)大面積推廣應(yīng)用，國內(nèi)從澳大利亞引進(jìn)了氣動錨桿鉆機(jī)，經(jīng)過10 多年的消化、吸收，研發(fā)成功了MQT、KMQT 等系列氣動頂板錨桿鉆機(jī)及ZQS、MQTB、KMQTB 等系列幫錨桿鉆機(jī)，如圖3 所示[10]。由于氣動錨桿鉆機(jī)在單體施工上的優(yōu)勢，目前在我國煤巷錨桿支護(hù)施工中廣泛應(yīng)用。部分氣動錨桿鉆機(jī)性能指標(biāo)見表1。

表1 部分單體氣動錨桿鉆機(jī)性能指標(biāo)Table 1 Performance index of some single pneumatic roof bolters

圖3 氣動錨桿鉆機(jī)及支腿式幫錨桿鉆機(jī)Fig.3 Pneumatic roof bolter and rib bolter with extending-leg

氣動錨桿鉆機(jī)按照破巖方式不同可分為旋轉(zhuǎn)式、旋轉(zhuǎn)沖擊式及沖擊式[11]。其中應(yīng)用最廣泛的是旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)，適用于堅固性系數(shù)f＜8 的巖石。旋轉(zhuǎn)沖擊式錨桿鉆機(jī)在旋轉(zhuǎn)式錨桿鉆機(jī)的基礎(chǔ)上增加了沖擊功能，破巖能力有所提高[12]。沖擊式錨桿鉆機(jī)（鑿巖機(jī)）能夠適應(yīng)堅固性系數(shù)f＞8 的巖石。有的氣動錨桿鉆機(jī)增加了沖擊增扭裝置，預(yù)緊轉(zhuǎn)矩可達(dá)550 N·m，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)直接預(yù)緊錨桿螺母，豐富了氣動錨桿鉆機(jī)的功能[13]。

除氣動錨桿鉆機(jī)外，單體液壓錨桿鉆機(jī)也得到比較廣泛的應(yīng)用。這種鉆機(jī)切削破巖能力較好，能耗低、振動小、噪聲小。單體液壓錨桿鉆機(jī)需要配備液壓泵站，比較笨重，移動不太方便。

單體錨桿鉆機(jī)在很長時間內(nèi)支撐了我國煤礦巷道錨桿支護(hù)的發(fā)展，技術(shù)較為成熟，相關(guān)配件實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。但由于單體錨桿鉆機(jī)施工依賴人工，難以實(shí)現(xiàn)自動化控制。隨著近年來煤礦智能化發(fā)展的要求，越來越多廠家將研發(fā)方向轉(zhuǎn)向機(jī)載錨桿鉆臂、錨桿鉆車、掘錨機(jī)及掘錨一體機(jī)。

1.2 機(jī)載錨桿鉆臂

機(jī)載錨桿鉆臂是近年來迅速發(fā)展的錨桿施工裝置，與可行走的履帶式或膠輪式底盤、懸臂式掘進(jìn)機(jī)、連續(xù)采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等結(jié)合形成錨桿鉆車、掘錨機(jī)、掘錨一體機(jī)、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)等集成化施工裝備，實(shí)現(xiàn)了各種場景與工況下錨桿高效支護(hù)作業(yè)，是集成化施工裝備的核心部件。

機(jī)載錨桿鉆臂包括鉆孔裝置（鉆箱）、錨固劑安裝裝置、錨桿安裝裝置（錨箱）、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、鉆桿倉、錨桿倉、機(jī)械手等功能模塊（圖4），可根據(jù)需求選配。

圖4 機(jī)載錨桿鉆臂結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of onboard bolter

鉆箱是錨桿鉆臂的核心部件，液壓鉆箱輸出轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速高、動力源穩(wěn)定，是近年來機(jī)載錨桿鉆臂主要選擇的鉆進(jìn)機(jī)具。非煤礦山、交通隧道等硬巖巷道通常采用液壓鑿巖機(jī)，如圖5 所示。Epiroc 的COP 系列液壓鑿巖機(jī)功率為5～40 kW，鉆孔直徑為25～102 mm，鉆孔深度最大可達(dá)32 m[14]。我國煤巷頂板通常為泥質(zhì)巖，巖石堅固性系數(shù)f＜8，旋轉(zhuǎn)切削式鉆箱能夠滿足大部分煤礦巷道錨桿鉆孔要求。部分機(jī)載錨桿鉆臂性能參數(shù)見表2。目前煤礦用機(jī)載錨桿鉆臂額定轉(zhuǎn)矩為200～400 N·m，額定轉(zhuǎn)速為300～600 r/min。

圖5 Epiroc COP 系列液壓鑿巖機(jī)Fig.5 Epiroc COP series hydraulic rock drill

表2 部分機(jī)載錨桿鉆臂性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of some onboard bolter

錨箱是用于錨桿安裝的裝置。非煤礦山、交通隧道等硬巖巷道采用液壓鑿巖機(jī)鉆進(jìn)，用錨箱安裝錨桿，如圖6 所示[15]。我國煤礦機(jī)載錨桿鉆臂直接安裝錨桿，鉆進(jìn)、推送錨桿、攪拌錨固劑、預(yù)緊多工序一體，鉆箱與錨箱合一，簡化了施工裝備。

圖6 Mine Master 鉆臂Fig.6 Mine Master onboard bolter

錨固是錨桿支護(hù)的重要步驟。目前我國煤巷錨桿支護(hù)錨固材料主要為樹脂錨固劑，施工時需要將藥卷輸送到孔底并進(jìn)行攪拌。長期以來錨固劑安裝依賴人工輔助作業(yè)，制約著錨桿支護(hù)全機(jī)械化的實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)錨固劑安裝的機(jī)械化、自動化，國內(nèi)外探索了多種形式的錨固劑快速安裝技術(shù)。

（1）內(nèi)置樹脂錨固劑錨桿。奧地利DSI 的一步式錨桿（One Step Bolt）將樹脂藥卷內(nèi)置于自鉆中空錨桿（圖7），通過高壓水?dāng)D壓錨固劑進(jìn)入內(nèi)置混流器攪拌并將混合好的錨固劑推入鉆孔實(shí)現(xiàn)錨固，錨固劑安裝不需要人工輔助[16]。目前國內(nèi)中鐵隆昌鐵路器材有限公司、淮南東華歐科礦山支護(hù)設(shè)備有限責(zé)任公司、廊坊景隆重工機(jī)械有限公司研制出內(nèi)置樹脂錨固劑錨桿。內(nèi)置樹脂錨固劑錨桿的性能參數(shù)見表3，由于錨桿內(nèi)孔存料有限，為保證錨固質(zhì)量和錨桿強(qiáng)度，需要同時增大錨桿內(nèi)徑和外徑。

圖7 內(nèi)置樹脂錨固劑錨桿Fig.7 Bolt with built-in resin anchoring agent

表3 內(nèi)置樹脂錨固劑錨桿性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of bolt with built-in resin anchoring agent

（2）泵注錨固技術(shù)。泵注錨固通過料箱存儲液態(tài)錨固劑，使用時充分混合并泵注到鉆孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)錨固，整個過程不需要人工參與，是目前最具潛力的自動化錨固技術(shù)。泵注錨固劑按照材料組分不同分為3 類：第1 類是硅酸鹽AB 組分泵注錨固劑，主要的國外生產(chǎn)企業(yè)有DSI、Minova、Basf、Jennmar，國內(nèi)目前也有企業(yè)生產(chǎn)該類產(chǎn)品；第2 類是樹脂AB 組分泵注錨固劑，Jennmar 公司研發(fā)了該類產(chǎn)品；第3 類是水泥漿材料泵注錨固劑。高分子材料AB 組分泵注錨固劑凝固速度快，混合后具有觸變性，能夠?qū)崿F(xiàn)免封孔錨固，是錨桿支護(hù)工藝簡化的關(guān)鍵。Epiroc與Minova 研發(fā)了基于自鉆中空錨桿及硅酸鹽AB 組分泵注錨固劑的錨桿自動施工裝備，鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)與注漿機(jī)構(gòu)協(xié)作，凝固時間為10～12 s，單根3 m 長錨桿施工時間小于6 min，實(shí)現(xiàn)了全過程機(jī)械化作業(yè)。Komatsu 與Jennmar 通過鉆錨一體化錨桿鉆進(jìn)，通過J-LOK P 注射系統(tǒng)泵送樹脂AB 組分，凝固時間為10 s，通過專用機(jī)構(gòu)預(yù)緊，鉆進(jìn)、注漿、預(yù)緊獨(dú)立作業(yè)，整個施工時長3 min 42 s，全過程機(jī)械化作業(yè)[17]。中煤科工開采研究院有限公司研發(fā)了鉆錨一體化錨桿、泵注錨固劑、鉆錨一體化鉆臂、錨桿倉、錨固劑泵注系統(tǒng)及智能控制系統(tǒng)，將傳統(tǒng)樹脂錨桿安裝6 道工序減為1 道連續(xù)工序，實(shí)現(xiàn)了鉆孔、錨固、預(yù)緊一體化自動作業(yè)，單根錨桿作業(yè)時間小于3 min，速度比傳統(tǒng)錨桿施工方式提高1 倍，實(shí)現(xiàn)了全流程自動化[18]。

（3）氣動推送樹脂藥卷裝置。氣動推送樹脂藥卷在非煤礦山、交通隧道廣泛應(yīng)用，國外Altas、Epiroc、Fletcher、Sandvik 公司，國內(nèi)浙江志高機(jī)械股份有限公司均研發(fā)了該類產(chǎn)品[19]。氣動推送樹脂藥卷裝置由集成在錨桿鉆機(jī)上的輸送管與藥卷倉組成，樹脂藥卷在氣壓作用下經(jīng)由輸送管、鉆孔推送到孔底，通過錨桿攪拌實(shí)現(xiàn)錨固（圖8）。氣動推送容易造成藥卷卡堵，導(dǎo)致施工作業(yè)失敗。目前氣動推送樹脂藥卷裝置在煤礦應(yīng)用較少。

圖8 采用氣動推送樹脂藥卷的鉆臂Fig.8 Onboard bolter with resin capsule pneumatic-injected

（4）其他錨固劑安裝裝置。國內(nèi)外還探索了其他形式的錨固劑安裝裝置。其中，廊坊景隆重工機(jī)械有限公司通過在錨桿端部固定樹脂藥卷，研發(fā)了兩步式錨桿鉆車（圖9）。中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司設(shè)計了鋼絲繩前部固定環(huán)推送的錨固劑安裝裝置[20]。

圖9 采用錨桿推送樹脂藥卷的鉆臂Fig.9 Onboard bolter with resin capsule bolt-pushed

為實(shí)現(xiàn)錨索快速安裝，國內(nèi)外研發(fā)了機(jī)載錨索鉆臂，在普通錨桿鉆臂的基礎(chǔ)上設(shè)置鉆桿倉和接卸鉆桿的機(jī)械手，通過自動化接卸鉆桿實(shí)現(xiàn)了錨索孔全自動連續(xù)鉆進(jìn)。中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司設(shè)計了煤礦用全自動錨索鉆臂（圖10），通過鉆箱和推進(jìn)機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)破巖，通過鉆桿倉和機(jī)械手配合實(shí)現(xiàn)鉆桿連接和拆卸，通過噴射樹脂藥卷或人工作業(yè)安裝錨固劑[21]。冀凱河北機(jī)電科技有限公司研制了轉(zhuǎn)塔式鉆桿倉，可儲存10 根鉆桿，通過機(jī)械手換接鉆桿，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)鉆進(jìn)，最大鉆孔深度為11 m，滿足4～11 m 錨索安裝要求[22]。非煤礦山、交通隧道中，錨索鉆臂技術(shù)成熟、廣泛應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)全機(jī)械化連續(xù)鉆進(jìn)、錨固劑與錨索安裝。自動化錨索鉆機(jī)是煤礦巷道實(shí)現(xiàn)自動化支護(hù)的重要研發(fā)及突破方向。

圖10 全自動錨索鉆臂Fig.10 Full-automatic cable onboard bolter

1.3 錨桿鉆車

錨桿鉆車研制時間較早，20 世紀(jì)60 年代初法國Secoma 公司首先研制成功錨桿鉆車[23]，20 世紀(jì)70 年代美國Ingersoll-rand、瑞典Atlas Copco、法國Montabert 等公司研發(fā)出各種類型的錨桿鉆車[24]。現(xiàn)階段，美國Fletcher，德國Dhms、Bauer，瑞典Atlas Copco、Epiroc、Sandvik，芬蘭Tamrock，法國Secoma等公司生產(chǎn)的錨桿鉆車處于領(lǐng)先水平。美國Fletcher公司研發(fā)的CHDDR 系列兩臂錨桿鉆車（圖11）作為連續(xù)采煤機(jī)的后配套設(shè)備，雙巷掘進(jìn)，在連續(xù)采煤機(jī)完成掘進(jìn)、裝運(yùn)工序之后進(jìn)入掘進(jìn)工作面，安裝錨桿，對裸露的頂板進(jìn)行支護(hù)。

圖11 CHDDR-AC 型兩臂錨桿鉆車Fig.11 CHDDR-AC 2-arm mobile bolter

近年來，國內(nèi)錨桿鉆車發(fā)展迅速，山西天地煤機(jī)裝備有限公司、廊坊景隆重工機(jī)械有限公司等煤機(jī)企業(yè)推出系列齊全、型號豐富的多種機(jī)型。根據(jù)鉆臂數(shù)量的不同，錨桿鉆車可分為單臂、兩臂及多臂錨桿鉆車。兩臂錨桿鉆車適用性強(qiáng)，用量較大。在提高錨桿鉆車施工效率上開展了2 個方面的工作：一方面提升錨桿鉆臂機(jī)械化、自動化程度，簡化錨桿支護(hù)工序；另一方面在鉆車上集成多部鉆臂，多機(jī)平行、協(xié)同作業(yè)。

窄機(jī)身的兩臂錨桿鉆車可與掘進(jìn)機(jī)、掘錨機(jī)交替作業(yè)，在掘進(jìn)后進(jìn)入空頂區(qū)完成頂幫錨桿（索）支護(hù)，也可用于掘進(jìn)機(jī)、連續(xù)采煤機(jī)后配套，完成錨桿（索）補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，是適用性最強(qiáng)的錨桿鉆車，是實(shí)現(xiàn)錨桿（索）快速支護(hù)的一個研發(fā)方向。經(jīng)過幾年的攻關(guān)，錨桿鉆臂機(jī)械化、自動化水平顯著提升，創(chuàng)新研發(fā)出一批具有特色的兩臂錨桿鉆車。中煤集團(tuán)石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司研發(fā)了鉆進(jìn)、錨固全機(jī)械化施工的錨桿鉆車[25]。山西天地煤機(jī)裝備有限公司研發(fā)了全自動兩臂錨桿鉆車（圖12），實(shí)現(xiàn)了鉆孔、藥卷充填、上錨桿、螺母緊固、錨桿連續(xù)供給等工序的全自動化[26]。中煤科工開采研究院有限公司研發(fā)了CMM2-40Z 型鉆錨一體化兩臂錨桿鉆車（圖13），機(jī)身寬度為1.4 m，能夠與掘進(jìn)機(jī)交替作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了鉆錨一體化“一鍵打錨桿”自動支護(hù)[27]。

圖12 全自動兩臂錨桿鉆車Fig.12 Full-automatic 2-arm mobile bolter

圖13 鉆錨一體化兩臂錨桿鉆車Fig.13 2-arm mobile bolter with integration of drilling and bolting

多臂錨桿鉆車是實(shí)現(xiàn)錨桿（索）快速支護(hù)的另一個研發(fā)方向。多臂錨桿鉆車的鉆臂從4 個到8 個不等，車體寬大，通常用于與雙巷掘進(jìn)的連續(xù)采煤機(jī)交替作業(yè)，或者配合連續(xù)采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)完成頂幫錨桿（索）補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。山西天地煤機(jī)裝備有限公司研發(fā)了四臂、五臂、六臂錨桿鉆車，其中四臂錨桿鉆車如圖14 所示，多鉆臂平行作業(yè)，支護(hù)效率高。目前，國內(nèi)一些企業(yè)已研制成功七臂、八臂錨桿鉆車。

圖14 四臂錨桿鉆車Fig.14 4-arm mobile bolter

我國煤礦巷道嚴(yán)禁空頂，需要隨掘隨支。為發(fā)揮多臂錨桿鉆車的優(yōu)勢，國內(nèi)一些企業(yè)通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，研發(fā)出窄機(jī)身的多臂錨桿鉆車（圖15），機(jī)身寬度降低到1.4 m 左右，巷道開挖后能夠通過與掘進(jìn)機(jī)/掘錨機(jī)交替作業(yè)進(jìn)入掘進(jìn)工作面，多臂作業(yè)完成錨桿（索）支護(hù)。

圖15 CMM4-30 型錨桿鉆車Fig.15 CMM4-30 mobile bolter

錨桿鉆車在非煤礦山及交通隧道中發(fā)展比較成熟，Epiroc、Sandvik 等國際知名公司生產(chǎn)的錨桿鉆車經(jīng)過長期發(fā)展形成了先進(jìn)的裝備。其中，Epiroc 形成了Boltec 系列錨桿鉆車（圖16）、Cabletec 系列錨索鉆車（圖17），適應(yīng)巷道高度1.8～13 m。Epiroc 的錨桿鉆車具有單臂（Boltec）和兩臂（Cabletec）2 種模式，能夠全機(jī)械化完成鉆進(jìn)、灌漿和錨桿（索）安裝，可安裝錨桿最長6 m、錨索最長25 m[28]。配置的COP 系列液壓鑿巖機(jī)能高效完成硬巖鉆進(jìn)，鉆進(jìn)深度最深32 m。研發(fā)出鉆車控制系統(tǒng)（RCS），能夠?qū)崿F(xiàn)自動鉆孔、鉆孔布孔及鉆孔參數(shù)調(diào)節(jié)，具備樹脂自動噴射、自動水泥漿混合、自動清潔混料等功能，能夠存儲數(shù)百米長錨索，完成各種形式不同直徑錨桿（開縫式錨桿、水脹錨桿、樹脂錨桿、砂漿錨桿等）的安裝。

圖16 Boltec M 錨桿鉆車Fig.16 Boltec M mobile bolter

圖17 Cabletec E 錨索鉆車Fig.17 Cabletec E cable mobile bolter

國內(nèi)中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司研發(fā)出全機(jī)械化MT1G 錨注一體錨桿鉆車，集鉆孔、注漿和錨桿安裝功能于一體。配置了鑿巖鉆機(jī)、錨箱、注漿機(jī)構(gòu)、預(yù)緊機(jī)構(gòu)、鉆桿倉、錨桿倉及抓取鉆桿、錨桿機(jī)械手，可完成水泥砂漿錨桿、中空預(yù)應(yīng)力錨桿、自進(jìn)式錨桿、鋼筋錨桿、脹殼預(yù)應(yīng)力錨桿、分段式錨桿等各類錨桿全機(jī)械化安裝，可施工錨桿長度2.5～12 m，具備自動配漿、自動注漿等功能[29]。

相比于硬巖隧道，煤礦巷道圍巖軟弱、地應(yīng)力高，嚴(yán)禁空頂作業(yè)，巷道開挖后需要立即進(jìn)行臨時支護(hù)；需要錨桿鉆車與掘進(jìn)機(jī)交替作業(yè)，及時施加預(yù)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)錨桿主動支護(hù)，鉆車車身寬度受限；需要人工輔助作業(yè)安裝金屬網(wǎng)、鋼帶或鋼筋托梁等護(hù)表構(gòu)件，難以實(shí)現(xiàn)全機(jī)械化；噴射樹脂藥卷技術(shù)未得到推廣，錨固劑安裝需要人工輔助，制約了錨桿支護(hù)全機(jī)械化的實(shí)現(xiàn)。針對存在的問題，經(jīng)過多年攻關(guān)，煤礦用錨桿鉆車取得了長足發(fā)展，對比非煤礦山及交通隧道錨桿鉆車形成了以下特色：

（1）突破了鉆錨一體化支護(hù)技術(shù)（包括工藝、材料、裝備）。通過鉆錨一體化錨桿、內(nèi)置樹脂錨固劑錨桿等方式變革了錨桿支護(hù)工藝，實(shí)現(xiàn)了錨桿自動化施工。

（2）研制出窄機(jī)身的多臂錨桿鉆車。研制成功窄機(jī)身的四臂、六臂錨桿鉆車，可與掘進(jìn)機(jī)交替作業(yè)，實(shí)現(xiàn)多鉆臂同時作業(yè)。

（3）集成了臨時支護(hù)機(jī)構(gòu)。目前各款煤巷錨桿鉆車均設(shè)置了臨時支護(hù)機(jī)構(gòu)，錨桿支護(hù)作業(yè)在臨時支護(hù)下進(jìn)行。

（4）研制了鋪網(wǎng)機(jī)構(gòu)。個別鉆車集成了鋪網(wǎng)機(jī)構(gòu)，在煤礦巷道受限空間內(nèi)進(jìn)行了試用。

對照硬巖隧道錨桿鉆車，煤巷錨桿鉆車需要在以下方面進(jìn)行突破：

（1）硬巖隧道COP 液壓鑿巖機(jī)已經(jīng)較為成熟，質(zhì)量可靠、穩(wěn)定性高。對照巖土隧道的機(jī)具水平，應(yīng)重點(diǎn)攻關(guān)鉆箱等關(guān)鍵元部件制造水平，提升整機(jī)可靠性。

（2）非煤礦山及硬巖隧道已實(shí)現(xiàn)爆破孔和錨桿孔自動布孔等功能，煤礦井下具有低照度、高粉塵等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)煤礦巷道錨桿支護(hù)自動布孔需要突破復(fù)雜條件下高精度感知技術(shù)。

（3）2022 年德國Bauma 展示了各類純電動的工程機(jī)械裝備，Epiroc Boltec M10/E10 錨桿鉆車均配有可選的電池電力傳動系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)零排放，是錨桿鉆車未來的發(fā)展方向。

1.4 掘錨機(jī)

掘錨機(jī)將機(jī)載錨桿鉆臂配置于懸臂式掘進(jìn)機(jī)上，利用掘進(jìn)機(jī)泵站作為動力源，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)與錨桿鉆裝功能。20 世紀(jì)90 年代美國Jeffrey 公司、奧地利Voestalpine 公司和英國Anderson 公司等首先研發(fā)出掘錨機(jī)。目前，世界多個國家擁有相應(yīng)的產(chǎn)品，包括澳大利亞Waratah、德國Dhms、日本三井三池、德國Wirth、瑞典Sandvik、德國Dosco 等企業(yè)。

近年來，國內(nèi)掘錨機(jī)迅速發(fā)展，很多掘進(jìn)機(jī)制造企業(yè)具備掘錨機(jī)研發(fā)和改造的能力，形成了各種形式的掘錨機(jī)。EBZ/EBH 系列掘錨機(jī)截割功率為160～ 320 kW，鉆臂數(shù)量從兩臂到八臂，尤以兩臂最多，可適應(yīng)煤、半煤巖巷掘進(jìn)。

錨桿鉆臂的布置是掘錨機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。掘錨機(jī)按照與機(jī)載錨桿鉆臂的連接關(guān)系可分為兩類：一類是鉆臂與掘錨機(jī)機(jī)身連接；另一類是鉆臂跨騎在掘錨機(jī)截割臂上。

鉆臂與掘錨機(jī)機(jī)身相連時，可集成多臺鉆臂。EBZ260M-4 掘錨機(jī)如圖18 所示，在機(jī)身上集成了4 臺鉆臂；EBZ220M-8 掘錨機(jī)如圖19 所示，在機(jī)身上集成了8 臺鉆臂[30-31]。鉆臂通過滑軌、機(jī)械臂等形式與掘錨機(jī)機(jī)身連接，掘進(jìn)時收回到機(jī)身上，支護(hù)時鉆臂沿軌道滑出，完成頂幫錨桿支護(hù)。

圖18 EBZ260M-4 掘錨機(jī)Fig.18 EBZ260M-4 roadheader bolter

圖19 EBZ220M-8 掘錨機(jī)Fig.19 EBZ220M-8 roadheader bolter

鉆臂跨騎在截割臂上的掘錨機(jī)簡化了滑軌、機(jī)械臂等機(jī)構(gòu)，利用截割臂移動鉆臂，通常集成2 臺鉆臂。徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司研制的EBZ200M-2 掘錨機(jī)（圖20）在截割臂上集成了2 臺錨桿鉆臂與1 個可折疊伸縮臨時支架，完成部分頂幫支護(hù)，最小空頂空幫距為0.3 m[32]。其他一些企業(yè)也研制了類似產(chǎn)品。相比于鉆臂集成于機(jī)身上的掘錨機(jī)，在截割臂上集成鉆臂數(shù)量有限，鉆臂需要兼具幫頂支護(hù)的功能。此外，此類掘錨機(jī)設(shè)計時還需要解決機(jī)身質(zhì)量平衡、截割期間視線遮擋、截割臂與煤壁干涉等問題。

為保障錨桿支護(hù)作業(yè)安全，巷道開挖后需要即時安裝臨時支護(hù)機(jī)構(gòu)，防止隨掘頂板冒落。國內(nèi)外企業(yè)研制了多種形式的機(jī)載臨時支護(hù)，如圖18、圖20、圖21-圖23 所示。國內(nèi)現(xiàn)有掘錨機(jī)機(jī)載臨時支護(hù)支撐能力均較小，一般為20～30 kN。澳大利亞Waratah 掘錨機(jī)采用外置臨時支護(hù)，支護(hù)力為2×100 kN，最小空頂距為910 mm，臨時支護(hù)機(jī)構(gòu)布置在機(jī)身兩側(cè)，掘進(jìn)后臨時支護(hù)機(jī)構(gòu)與鉆臂沿著軌道滑出，完成臨時支護(hù)、頂幫錨桿支護(hù)。

圖20 EBZ200M-2 掘錨機(jī)Fig.20 EBZ200M-2 roadheader bolter

圖21 EBZ200M-2/4 掘錨機(jī)Fig.21 EBZ200M-2/4 roadheader bolter

圖22 EBZ260M-6 掘錨機(jī)Fig.22 EBZ260M-6 roadheader bolter

圖23 Waratah 掘錨機(jī)Fig.23 Waratah roadheader bolter

經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，掘錨機(jī)取得了如下進(jìn)展：①裝備集成化水平提高，形成了多臂掘錨機(jī)，最多可達(dá)八臂，支護(hù)作業(yè)效率提高。② 豐富了鉆臂布置、臨時支護(hù)形式。③截割功率達(dá)160～320 kW，能夠適應(yīng)煤及半煤巖巷掘進(jìn)。

此外，國內(nèi)企業(yè)通過加設(shè)各類高精度傳感器、激光雷達(dá)、慣導(dǎo)系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、人員識別系統(tǒng)、遠(yuǎn)程語音對講系統(tǒng)等，探索了機(jī)組位姿監(jiān)測、自動導(dǎo)向、自動斷面成形、巷道掃描成像、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控等，取得了一些進(jìn)展[33-35]。

相比于單體鉆機(jī)、錨桿鉆車，掘錨機(jī)搭載了機(jī)載鉆臂，交替作業(yè)耗時少、勞動強(qiáng)度低；相比于掘錨一體機(jī)，掘錨機(jī)通過移動鉆臂能夠減小空頂距，可適用于多種地質(zhì)條件[36]。盡管如此，由于錨桿鉆裝自動化程度低，鉆孔移機(jī)定位耗時長，完成錨桿支護(hù)需要人工輔助，尚未實(shí)現(xiàn)全機(jī)械化作業(yè)，施工效率仍然較低。

針對掘錨機(jī)存在的不足，需要研制全自動化鉆臂，解決錨桿快速支護(hù)的難題；研制金屬網(wǎng)及支護(hù)構(gòu)件安裝機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)支護(hù)構(gòu)件自動化安裝；繼續(xù)優(yōu)化鉆臂布置，形成適應(yīng)不同地質(zhì)條件下掘錨機(jī)模塊化設(shè)計、定制化服務(wù)的能力；解決連續(xù)作業(yè)液壓系統(tǒng)發(fā)熱，截割強(qiáng)震動下鉆臂元器件損傷、壽命短，鉆孔快速定位及整機(jī)穩(wěn)定性提升等問題。

1.5 掘錨一體機(jī)

掘錨一體機(jī)集機(jī)械、電氣、液壓和自動控制于一體，是近年發(fā)展起來的集煤巖截割、錨桿支護(hù)等多功能一體的煤巷快速掘進(jìn)與支護(hù)裝備（圖24），代表了目前煤巷掘進(jìn)與錨桿支護(hù)裝備的最高水平和發(fā)展趨勢。

圖24 掘錨一體機(jī)Fig.24 Bolter miner

掘錨一體機(jī)具備諸多優(yōu)點(diǎn)：①掘進(jìn)與支護(hù)可平行作業(yè)，自動化程度高、掘進(jìn)效率高、勞動強(qiáng)度低。② 空頂距一般為2～3 m，能適應(yīng)簡單或部分中等地質(zhì)條件。③與連續(xù)采煤機(jī)、懸臂式掘進(jìn)機(jī)交替作業(yè)工藝相比，減少了錨桿鉆車及鏟車等設(shè)備，勞動組織管理簡化。④ 與連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)相比，巷道利用率高，減少了聯(lián)巷的掘進(jìn)，附加工程量較少。⑤ 較好地質(zhì)條件下巷道成形好，能夠控制工程質(zhì)量[37]。⑥ 掏槽工序中，掘錨一體機(jī)配備了掏槽油缸，掏槽時機(jī)身無需移動，截割與支護(hù)開機(jī)率高。

掘錨一體機(jī)已有較長的研發(fā)歷史。20 世紀(jì)80 至90 年代，奧地利、英國和美國等為了適應(yīng)綜采工作面快速推進(jìn)的需要，開始研發(fā)集快速掘進(jìn)、錨桿支護(hù)為一體的機(jī)械化平行作業(yè)裝備，以連續(xù)采煤機(jī)的基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，增加錨桿支護(hù)功能。經(jīng)過不斷改進(jìn)和試驗，最終形成了以奧地利Voestalpine 公司ABM20（1990 年）、美國JOY 公司12BM18（1994 年）、英國BJD 公司2480HPBH（1993 年）、德國Paurat 公司E230（1993 年）為代表的掘錨一體機(jī)，并隨后在英國、澳大利亞等國應(yīng)用，取得了良好效果。早期的掘錨一體機(jī)裝機(jī)功率較小（低于550 kW）、機(jī)載鉆機(jī)數(shù)量也相對較少（不超過6 個）、質(zhì)量較輕（不超過75 t）[38-39]。隨著多年不斷發(fā)展，形成了以Sandvik、JOY 為代表的掘錨一體機(jī)設(shè)備制造商。目前掘錨一體機(jī)在國外煤礦廣泛應(yīng)用，澳大利亞長壁工作面80%以上煤巷采用掘錨一體機(jī)掘進(jìn)[40]。

國內(nèi)掘錨一體機(jī)的研發(fā)起步晚于國外，21 世紀(jì)初，煤炭科學(xué)研究總院太原研究院首先在國內(nèi)開展了掘錨一體機(jī)的研制，并在陽泉、陜蒙地區(qū)開展了井下應(yīng)用。2017 年以來，掘錨一體機(jī)在國內(nèi)的研發(fā)與應(yīng)用快速增長，中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司、西安煤礦機(jī)械有限公司、三一重型裝備有限公司等也相繼開展了掘錨一體機(jī)的研制。目前國內(nèi)掘錨一體機(jī)設(shè)計、制造水平已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

國內(nèi)外掘錨一體機(jī)結(jié)構(gòu)大體相似，都是通過集成化、模塊化的設(shè)計滿足成巷要求。按照功能劃分，掘錨一體機(jī)整機(jī)機(jī)構(gòu)包含整機(jī)車體、截割裝置、錨桿鉆臂、臨時支護(hù)、行走裝置、運(yùn)輸裝置、冷卻和噴霧系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及除塵系統(tǒng)等10 個部分。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，掘錨一體機(jī)整體結(jié)構(gòu)和組成部分均在不斷改進(jìn)與完善。以截割裝置為例，早期的掘錨一體機(jī)采用電動機(jī)或液壓缸直驅(qū)，隨著截割功率和適應(yīng)性要求的不斷提高，現(xiàn)在已逐漸發(fā)展為變頻電動機(jī)配合減速箱提供動力實(shí)現(xiàn)截割功能。

隨著掘錨一體機(jī)的不斷發(fā)展，自動截割、自主糾偏等通用技術(shù)被相繼應(yīng)用。此外，各制造商也開發(fā)了一些獨(dú)具特色的技術(shù)。山西天地煤機(jī)裝備有限公司開發(fā)了具備變頻截割以適應(yīng)不同強(qiáng)度圍巖、多模式噴霧除塵系統(tǒng)、模塊設(shè)計的系列掘錨一體機(jī)產(chǎn)品。中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司開發(fā)了幾代掘錨一體機(jī)，不斷提高自動化水平，并在掘錨一體機(jī)上嘗試了機(jī)械化鋪聯(lián)網(wǎng)。中煤科工集團(tuán)上海研究院有限公司研發(fā)了EJM2×200/2 掘錨一體機(jī)（圖25），通過錨桿支護(hù)平臺向前移動實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、錨桿支護(hù)快速交叉作業(yè)，空頂距小于1 個排距，能夠適應(yīng)我國破碎頂板巷道短掘短支的特點(diǎn)。西安煤礦機(jī)械有限公司研制出護(hù)盾式掘錨一體機(jī)（圖26），開發(fā)了矩形護(hù)盾臨時支護(hù)，形成了前掘后支、掘支分離的模式。

圖25 EJM2×200/2 掘錨一體機(jī)Fig.25 EJM2×200/2 bolter miner

圖26 護(hù)盾式掘錨一體機(jī)Fig.26 Shield type bolter miner

除了掘錨一體機(jī)的研發(fā)與制造，國內(nèi)外學(xué)者對裝備相關(guān)的理論也開展了大量研究。D.Mishchuk[41]針對掘錨一體機(jī)，建立了單級脈沖液壓傳動數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化了整機(jī)傳動系統(tǒng)。K.Essen 等[42]建立了煤巷擾動模型，分析了掘錨一體機(jī)等掘進(jìn)設(shè)備在截割時對煤巖穩(wěn)定性的影響，提出了減少擾動的策略。O.I.Kazanin 等[43]研究了掘錨一體機(jī)開機(jī)率對煤礦掘進(jìn)、生產(chǎn)效率的影響。胡偉飛等[44]提出了掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生幾何模型庫構(gòu)建技術(shù)，通過在線采集與數(shù)據(jù)實(shí)時傳遞，實(shí)現(xiàn)了融合服役環(huán)境的掘錨一體機(jī)實(shí)時狀態(tài)映射與作業(yè)流程實(shí)時在線監(jiān)測。宋作文等[45]對掘錨一體機(jī)在煤巷掘進(jìn)中的應(yīng)用、勞動組織管理和綜合效率開展了研究。吳建星等[46]針對掘錨一體機(jī)的功能特點(diǎn)，采用數(shù)值模擬、理論分析等手段優(yōu)化了錨桿支護(hù)參數(shù)與施工工藝。魏蒼棟等[47]研究了掘錨一體機(jī)滑動推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計，對滑動推進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，論述了滑動推進(jìn)機(jī)構(gòu)推進(jìn)力的計算方法，應(yīng)用SolidWorks 軟件建立了滑動軌道三維模型，對其進(jìn)行強(qiáng)度校核，為掘錨一體機(jī)滑動推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計提供了參考。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，掘錨一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計、空間布局、作業(yè)工藝等都相對成熟，代表了煤巷掘進(jìn)與支護(hù)裝備的先進(jìn)水平，但也存在著一些不足，例如：錨桿支護(hù)作業(yè)流程復(fù)雜，2022 年以前，市面上沒有可實(shí)現(xiàn)常態(tài)化自動支護(hù)作業(yè)的掘錨一體機(jī)；對地質(zhì)條件的變化較敏感，無法在煤巖軟弱、塌孔等條件下獲得較高的成巷效率。

中煤科工開采研究院有限公司針對錨桿施工工藝繁瑣的問題，研制出鉆錨一體化錨桿及配套的“一鍵打錨桿”自動化支護(hù)施工設(shè)備，將傳統(tǒng)的6 道施工工序（鉆孔、卸鉆桿、安裝錨固劑、攪拌錨固劑、等待凝固及預(yù)緊）簡化為1 道，提升了支護(hù)速度，解決了塌孔對錨桿支護(hù)的影響問題。中煤科工開采研究院有限公司與中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司合作研發(fā)的首套鉆錨一體化掘錨一體機(jī)如圖27所示。

圖27 鉆錨一體化掘錨一體機(jī)Fig.27 Bolter miner with integration of drilling and bolting

中煤科工集團(tuán)上海研究院有限公司研制了MJJ3800×5800 全斷面護(hù)盾式矩形掘進(jìn)機(jī)（圖28），機(jī)載4 組頂錨鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)了矩形斷面全斷面一次截割、掘支一體化和掘支平行作業(yè)。巷道成形質(zhì)量高，具有精確導(dǎo)向和定位、智能化遠(yuǎn)程實(shí)時在線監(jiān)控等功能。該全斷面護(hù)盾式矩形掘進(jìn)機(jī)在國能神東煤炭集團(tuán)有限公司哈拉溝煤礦完成了運(yùn)輸巷3 409 m 掘進(jìn)。

圖28 全斷面護(hù)盾式矩形掘進(jìn)機(jī)Fig.28 Full-face shield type rectangular bolter miner

1.6 錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)及跨騎式錨桿鉆車

錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)是近年來發(fā)展起來的巷道錨桿支護(hù)施工裝備。錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)集轉(zhuǎn)運(yùn)、破碎、錨桿支護(hù)于一體，替代梭車和轉(zhuǎn)載破碎機(jī)，在保證物料破碎、轉(zhuǎn)運(yùn)的基礎(chǔ)上，利用原有轉(zhuǎn)載機(jī)作為錨桿支護(hù)平臺，緊跟掘錨機(jī)補(bǔ)齊全部錨桿（索），實(shí)現(xiàn)了邊掘邊錨、掘錨平行。相比于普通錨桿鉆車，錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)節(jié)省了巷道內(nèi)過車與行人空間，提高了裝備的集成化，避免了掘進(jìn)與支護(hù)交替作業(yè)，提高了施工效率。

錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)產(chǎn)品有多種型號，鉆臂數(shù)量從兩臂到七臂。山西天地煤機(jī)裝備有限公司推出了從兩臂到六臂等全系列錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)（圖29）。廊坊景隆重工機(jī)械有限公司推出的七臂錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)（圖30），集成了頂錨桿鉆臂3 臺、幫錨桿鉆臂4 臺。澳大利亞CSIRO研制的錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)集成了自動錨桿鉆臂（圖31），開展了自動鉆錨、巖性隨鉆測量、巷道輪廓掃描等先進(jìn)技術(shù)的試驗。錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)提升了巷道掘進(jìn)工序的集成化水平，配合連續(xù)采煤機(jī)或掘錨一體機(jī)，能夠提高巷道掘進(jìn)速度。

圖29 錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)Fig.29 Bolter conveyor

圖30 七臂錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)Fig.30 7-arm bolter conveyor

圖31 CSIRO 錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)Fig.31 CSIRO bolter conveyor

此外，基于快速掘進(jìn)系統(tǒng)的整體配套需求還開發(fā)了跨騎式錨桿鉆車（圖32），通過跨騎式底盤實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)穿行，利用液壓錨桿鉆臂的高效鉆進(jìn)、預(yù)緊、便于控制及多機(jī)協(xié)作等優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)支護(hù)作業(yè)與掘進(jìn)、運(yùn)輸分離。

圖32 跨騎式錨桿鉆車Fig.32 Straddle bolter

錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)、跨騎式錨桿鉆車適用于圍巖條件比較簡單的巷道，掘錨機(jī)、掘錨一體機(jī)實(shí)施的初次錨桿支護(hù)能夠保證圍巖的穩(wěn)定性，通過錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)、跨騎式錨桿鉆車補(bǔ)齊全部錨桿（索）。

國內(nèi)外典型煤巷錨桿支護(hù)施工裝備主要技術(shù)參數(shù)見表4，可根據(jù)巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件選擇使用裝備。

表4 國內(nèi)外典型煤巷錨桿支護(hù)施工裝備Table 4 Typical rock bolting construction equipments in coal roadway at home and abroad

2 鉆錨一體化錨桿支護(hù)技術(shù)與裝備

2.1 鉆錨一體化錨桿及泵注錨固劑

中煤科工開采研究院有限公司從2018 年開始研發(fā)鉆錨一體化錨桿及配套的自動化錨桿施工裝備。鉆錨一體化錨桿（圖33）主要由鉆頭、中空桿體、調(diào)心球墊和多功能螺母等組成。鉆頭可根據(jù)鉆進(jìn)圍巖的巖性、強(qiáng)度進(jìn)行選型。中空桿體的屈服強(qiáng)度為439.2 MPa，屈服載荷為187.5 kN，抗拉強(qiáng)度為623.2 MPa，拉斷載荷為266.1 kN。多功能螺母具有鉆進(jìn)鎖緊、密封和預(yù)緊功能。研發(fā)出AB 組分泵注錨固劑，AB 組分混合均勻后具有觸變性，可克服重力作用附著于孔壁上，實(shí)現(xiàn)了免封孔泵注錨固。錨固劑凝固時間（20～240 s）可調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)錨固長度的任意調(diào)節(jié)。

圖33 鉆錨一體化錨桿Fig.33 Bolt with integration of drilling and bolting

泵注錨固劑與鉆錨一體化錨桿相結(jié)合，密實(shí)充填在桿體與孔壁之間進(jìn)行錨固。試驗表明，錨固長度為800 mm 時錨固力不低于200 kN。

2.2 鉆錨一體化支護(hù)施工裝備

鉆錨一體化支護(hù)施工裝備包括鉆臂、錨桿倉、錨固劑泵注系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等。鉆錨一體化錨桿鉆臂（圖34）包括鉆錨一體化鉆箱、鉆架和錨桿倉。

圖34 鉆錨一體化錨桿鉆臂Fig.34 Onboard bolter with integration of drilling and bolting

鉆錨一體化鉆箱具有鉆孔、泵注錨固、預(yù)緊等功能。鉆箱前端與錨桿尾部預(yù)緊螺母相配合，反轉(zhuǎn)鉆孔、正轉(zhuǎn)預(yù)緊。鉆箱電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為575 r/min，最大失速轉(zhuǎn)矩為560 N·m。

鉆架主要由支撐機(jī)構(gòu)、推進(jìn)機(jī)構(gòu)和夾鉗組成。工作時，支撐機(jī)構(gòu)伸出至圍巖表面，穩(wěn)定鉆臂。推進(jìn)機(jī)構(gòu)采用全滑柱式結(jié)構(gòu)，能夠有效提高錨桿作業(yè)過程中的穩(wěn)定性和使用壽命。夾鉗采用大剛度導(dǎo)軌油缸直推結(jié)構(gòu)，可在錨桿開孔過程中扶正錨桿、輔助錨桿定位。

錨桿倉一次可裝載8 根錨桿，結(jié)構(gòu)緊湊、容量大、定位準(zhǔn)確、運(yùn)動和導(dǎo)向精度高，通過機(jī)械手準(zhǔn)確抓取錨桿并精確傳送至鉆箱。

錨固劑泵注系統(tǒng)三缸并聯(lián)、同步伸縮。中間液壓缸體驅(qū)動，帶動兩側(cè)料缸吸漿、排漿。錨固劑泵注系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了AB 組分錨固劑高精度泵送，泵送體積可在254～367 mL 間調(diào)節(jié)。

根據(jù)鉆錨一體化錨桿施工工藝，設(shè)計了鉆錨一體化錨桿自動控制系統(tǒng)。以PLC 為控制器，通過檢測機(jī)載傳感器判斷錨桿鉆臂工作狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)鉆錨一體化錨桿抓取、鉆孔、泵注錨固、預(yù)緊等工序的自動化施工；能夠根據(jù)頂板強(qiáng)度與轉(zhuǎn)速自主調(diào)節(jié)進(jìn)給速度，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)鉆進(jìn)；可配套遠(yuǎn)程集控平臺，實(shí)現(xiàn)鉆錨一體化錨桿的遠(yuǎn)程自動化施工。

2.3 鉆錨一體化錨桿施工工藝

鉆錨一體化錨桿施工工藝包括錨桿倉裝填、錨桿抓取、鉆進(jìn)、泵注錨固和預(yù)緊等環(huán)節(jié)，如圖35 所示，具有自動化程度高、施工成功率高、工藝適應(yīng)性強(qiáng)及施工效率高等特點(diǎn)。

圖35 鉆錨一體化錨桿施工工藝流程Fig.35 Construction technological process of bolt with integration of drilling and bolting

2.4 鉆錨一體化錨桿支護(hù)現(xiàn)場試驗

鉆錨一體化錨桿及施工裝備于2021 年5 月至2022 年7 月在陜西省榆林市大梁灣煤礦煤巷開展試驗（圖36）。試驗期間累計完成3 000 多根錨桿支護(hù)作業(yè)，單根錨桿施工時間＜3 min，相比傳統(tǒng)工藝工效提高1 倍，設(shè)計錨固長度為1 200 mm，錨固力≥200 kN，預(yù)緊轉(zhuǎn)矩≥300 N·m，預(yù)緊力≥60 kN，自動控制系統(tǒng)施工穩(wěn)定可靠，大幅度提高了施工效率。

圖36 鉆錨一體化錨桿試驗現(xiàn)場Fig.36 Filed test of bolt with integration of drilling and bolting

3 煤巷錨桿支護(hù)施工裝備發(fā)展趨勢

經(jīng)過長期的發(fā)展，我國煤巷錨桿支護(hù)施工裝備已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，目前正處在自動化、智能化的發(fā)展階段。煤巷錨桿支護(hù)施工裝備的數(shù)字化、智能化是實(shí)現(xiàn)煤礦掘進(jìn)工作面少人甚至無人作業(yè)的重要途徑。煤巷錨桿支護(hù)施工裝備未來發(fā)展方向如圖37所示。

圖37 煤巷錨桿支護(hù)施工裝備發(fā)展方向Fig.37 Development trend of rock bolting construction equipment in coal roadway

3.1 數(shù)智化錨桿鉆臂

研制數(shù)智化錨桿鉆臂，在施工過程中可感知裝備狀態(tài)、圍巖狀態(tài)，構(gòu)建數(shù)字鉆孔、數(shù)字錨桿，實(shí)現(xiàn)裝備與圍巖耦合及施工參數(shù)自主調(diào)節(jié)。主要包括2 個方面內(nèi)容：

一是自適應(yīng)鉆進(jìn)。目前相關(guān)技術(shù)已取得部分進(jìn)展，JOY Smart Bolter 采用電液控制，具有自適應(yīng)鉆孔、防失速和防損壞功能。通過按鍵啟動，完成預(yù)設(shè)支護(hù)流程與要求。具有鉆進(jìn)自調(diào)節(jié)功能，根據(jù)頂板強(qiáng)度、轉(zhuǎn)速變化、鉆桿類型、鉆孔深度、水流速度等自主調(diào)節(jié)進(jìn)給壓力，避免鉆桿失速和彎曲等異常工況。中煤科工開采研究院有限公司開發(fā)了錨桿自動化鉆孔施工控制算法，突破了鉆進(jìn)參數(shù)自調(diào)節(jié)技術(shù)。

二是圍巖狀態(tài)感知。鉆進(jìn)過程中，通過傳感器實(shí)時測量鉆進(jìn)距離、鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)轉(zhuǎn)矩、鉆進(jìn)推力、鉆機(jī)振動狀態(tài)等數(shù)據(jù)，獲取隨鉆測量參數(shù)。基于巷道圍巖強(qiáng)度原位測試及圍巖結(jié)構(gòu)測試結(jié)果，構(gòu)建隨鉆參數(shù)與圍巖強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面分布的映射關(guān)系，形成隨鉆實(shí)時感知圍巖強(qiáng)度及裂隙的技術(shù)。目前Sandvik DO600i 鉆臂實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給力、油缸行程、鉆頭定位等監(jiān)測及數(shù)據(jù)記錄，能夠根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)生成頂板巖層強(qiáng)度分布圖。

3.2 錨桿鉆臂定位、位姿自主調(diào)節(jié)及多鉆臂協(xié)同控制技術(shù)

目前，錨桿鉆臂定位及位姿調(diào)節(jié)依賴人工觀測、手動操作。機(jī)載錨桿鉆臂一般具有2～4 個自由度，位姿調(diào)節(jié)范圍較小，實(shí)現(xiàn)鉆孔定位需要頻繁調(diào)節(jié)整機(jī)位置。需要研究錨桿鉆臂自動定位技術(shù)及位姿調(diào)節(jié)算法（圖38），自主確定鉆孔位置，優(yōu)化鉆臂移動路徑及機(jī)械臂動作，自主調(diào)節(jié)錨桿鉆臂相對位姿，提高鉆機(jī)定位的精度和效率，配合鉆錨一體化錨桿的自動化施工控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)作業(yè)全流程自動化作業(yè)。

圖38 基于視覺傳感的錨桿鉆臂實(shí)時位姿解算原理Fig.38 Principle of real-time pose solution of onboard bolter based on visual sensing

掘錨裝備上搭載多部錨桿鉆臂時，各鉆臂配置了獨(dú)立的控制器，多個控制器之間可建立通信，但控制邏輯相互獨(dú)立，不能實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制。需要研發(fā)錨桿鉆臂協(xié)同控制技術(shù)，優(yōu)化支護(hù)作業(yè)流程，避免單機(jī)故障影響整體施工進(jìn)度，保證作業(yè)效率最大化，提高施工裝備整體可靠性和適應(yīng)性。

3.3 錨桿（索）結(jié)構(gòu)與材料優(yōu)化、錨注材料升級及施工設(shè)備完善

針對不同圍巖條件，不斷優(yōu)化錨桿結(jié)構(gòu)與材料，研發(fā)物理力學(xué)性能更高、速度更快的錨固材料，不斷完善錨固劑泵注系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)錨桿精準(zhǔn)、快速、可靠安裝。

錨桿倉解決了單排作業(yè)錨桿自動補(bǔ)給問題，提升了支護(hù)自動化程度。但是，目前快速掘進(jìn)系統(tǒng)在地質(zhì)條件較好的煤礦可實(shí)現(xiàn)單班進(jìn)尺20～30 m，單臺錨桿鉆機(jī)單班需要打設(shè)40～60 根錨桿，現(xiàn)有錨桿倉難以滿足單班連續(xù)自動化錨桿施工的要求，需要人工補(bǔ)給錨桿。需要研發(fā)錨桿倉自動補(bǔ)桿機(jī)構(gòu)，包括大容量錨桿儲倉、錨桿裝載機(jī)械手、自動補(bǔ)桿控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單班全流程自動化作業(yè)，提高支護(hù)系統(tǒng)開機(jī)率。

另外，錨索安裝目前完全依靠人工，需要開發(fā)適合自動化安裝的新型錨索結(jié)構(gòu)、材料、施工工藝及裝備，以提高錨索施工自動化水平，降低工人勞動強(qiáng)度。

3.4 環(huán)境動態(tài)感知及隨掘圍巖穩(wěn)定性判別

研發(fā)基于關(guān)鍵特征點(diǎn)的視覺監(jiān)測技術(shù)，實(shí)時監(jiān)測頂板及兩幫變形，實(shí)現(xiàn)圍巖變形高精度動態(tài)在線監(jiān)測。研發(fā)巷道輪廓高精度感知技術(shù)，突破激光掃描、視覺等多種非接觸式測量融合技術(shù)，識別巷道超挖、欠挖及表面片幫、冒頂。研究弱光、高粉塵、低區(qū)分度巷道中錨桿（索）自主識別技術(shù)（圖39），構(gòu)建集巷道斷面形貌、支護(hù)構(gòu)件位姿一體的環(huán)境數(shù)字模型（圖40）。

圖39 基于深度學(xué)習(xí)的錨桿托板檢測Fig.39 Detection of bolt plates based on deep learning

圖40 巷道三維激光掃描點(diǎn)云分布Fig.40 Distribution of 3D laser scanning point cloud in roadway

構(gòu)建掘進(jìn)工作面圍巖穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則，通過隨鉆圍巖狀態(tài)感知、隨掘變形動態(tài)監(jiān)測等多源數(shù)據(jù)，評價掘進(jìn)工作面圍巖穩(wěn)定性，為錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計與施工順序（一次支護(hù)還是分次支護(hù)）提供實(shí)時、可靠的依據(jù)。

3.5 錨桿支護(hù)施工裝備故障診斷技術(shù)

錨桿支護(hù)施工裝備由電氣、液壓、氣動和機(jī)械四大系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成復(fù)雜。錨桿支護(hù)裝備長期在潮濕、粉塵、振動環(huán)境下工作，工作負(fù)荷較大，容易發(fā)生故障。當(dāng)前錨桿支護(hù)裝備上傳感器布置不足，無法實(shí)現(xiàn)故障診斷。需要研發(fā)錨桿支護(hù)施工裝備故障診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時故障監(jiān)測，快速確定故障位置、分析故障類型，提高井下維修效率。形成裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)日志，確定維護(hù)需求，提前維護(hù)，保障裝備的正常施工作業(yè)。

3.6 巷道圍巖變形與支護(hù)體受力在線監(jiān)測

目前，巷道圍巖變形、離層及支護(hù)體受力監(jiān)測大多通過布置測站、安設(shè)測點(diǎn)進(jìn)行。由于測站、測點(diǎn)數(shù)量有限，代表性差，不能全面反映整條巷道的支護(hù)狀況。同時，由于監(jiān)測頻率低，不能實(shí)時反映圍巖與支護(hù)體變形破壞狀態(tài)。另外，錨桿及構(gòu)件受力監(jiān)測工序較為復(fù)雜，僅能通過人工進(jìn)行局部監(jiān)測，無法實(shí)現(xiàn)巷道錨桿受力監(jiān)測的大范圍覆蓋。需要開發(fā)巷道圍巖變形快速、大范圍監(jiān)測儀器及機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)全巷道圍巖變形的實(shí)時巡檢；研發(fā)錨桿及構(gòu)件受力非接觸式監(jiān)測儀器，研制支護(hù)體受力新型傳感器及配套在線監(jiān)測通信系統(tǒng)；建立全巷道、全時空的礦壓監(jiān)測技術(shù)體系與動態(tài)數(shù)據(jù)庫。

3.7 建立大數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)自動化、智能化

建立巷道礦壓與錨桿支護(hù)裝備狀態(tài)的大數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時處理、挖掘與分析，評價巷道圍巖穩(wěn)定性。根據(jù)感知、監(jiān)測數(shù)據(jù)及圍巖穩(wěn)定性判定，開發(fā)錨桿支護(hù)參數(shù)動態(tài)調(diào)整算法，實(shí)現(xiàn)錨桿間排距、錨桿安裝角度、錨固長度、預(yù)應(yīng)力等參數(shù)的自主決策，最終實(shí)現(xiàn)圍巖與支護(hù)體實(shí)時動態(tài)感知、錨桿支護(hù)參數(shù)智能決策、支護(hù)裝備自動執(zhí)行的智能化錨桿支護(hù)技術(shù)。