錨桿鉆機專利分析

摘 要：【目的】明確錨桿鉆機的分類體系，并基于該分類體系對當前高頻核心專利演進路線進行分析，以期獲得基于錨桿鉆機的分類體系下的技術發展路線。【方法】利用CNABS、CNTXT、DWPI、SIPOABS和ENTXT專利數據庫，對錨桿鉆機近年來相關專利進行數據分析。【結果】歐美國家相關領域發展早，專利布局意識強。國內相關企業有一定的進展。【結論】我國企業應盡快完善相關技術研發和專利布局。

關鍵詞：錨桿鉆機；分析；核心專利；演進

中圖分類號：G306；TD350" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）13-0130-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.027

Analysis of Anchor Drilling Rigs Patent Technology

CHEN Jianjun GU Zhiping

（Patent Examination Cooperation SiChuan Center of the Patent Office，CNIPA，Chengdu 610213，China）

Abstract： [Purposes] This paper clarifies the classification system of the anchor drilling rig and analyzes the current high-frequency core patent evolution route based on the system， in order to obtain the technical development route under the system. [Methods] In this paper， the patent databases of CNABS， CNTXT， DWPI， SIPOABS and ENTXT are used to analyze the relevant patents of Anchor Drilling rigs in recent years. [Findings] European and American countries have developed early in related fields and have a strong sense of patent layout. Companies in China， however， have made certain progress. [Conclusions] Chinese enterprises should improve the research and development of relavent technology and patent layout as soon as possible.

Keywords： anchor drilling rigs; analysis; core patents; route

0 引言

巖土錨桿支護通過埋設在地層中的錨桿，將待支護體與圍巖通過懸吊作用緊密地連接為一個整體，依賴圍巖的抗剪強度傳遞結構物的拉力改善圍巖體的力學性能使得圍巖得到加固，從而起到延緩圍巖變形、提高圍巖強度穩定性、保持施工巷道/隧道斷面形狀的作用。然而其施工質量和速度主要取決于施工機具的性能和穩定性。在錨桿支護過程中，首先面臨的即是錨桿孔的鉆進問題。錨桿鉆機（Anchor Drilling Rigs）作為錨桿支護施工中錨桿鉆孔的施工設備，廣泛應用于巷道/隧道斷面的支護、邊坡穩定性控制、深基坑工程等工程領域。錨桿支護的施工速度和支護質量的好壞很大程度上取決于錨桿鉆機的性能。錨桿鉆機技術設備的發展已經是影響錨桿支護施工速度、質量、效率的關鍵因素之一［1-2］。

1 錨桿鉆機的分類

20世紀40年代，國外開始錨桿鉆機的研制，經過80余年的研究與攻關，錨桿鉆機的功能、形態、性能、安全可靠性等不斷提高，自動化、機械化、智能化程度不斷發展。在此期間，國內外出現了不同形式不同規格的錨桿鉆機。按結構形式分為：鉆車式、機載式和單體式錨桿鉆機。鉆車式錨桿鉆機自帶行走機構。機載式錨桿鉆機為安裝在掘進機、連續采煤機、裝載機等采掘設備上的錨桿鉆機，通常由液壓回轉鉆機、推進機構、調整機構等組成。單體式錨桿鉆機具有結構簡單，操作靈活的特點，按動力來源分為氣動式、液壓式和電動式。氣動式錨桿鉆機是以壓縮空氣為動力的錨桿鉆機，又稱鑿巖機。該類鉆機鉆孔速度快，適合中硬巖層，且其動力單一，質量較輕，操作簡單，比較適合單人操作；其缺點為噪聲大、工人施工環境差，氣壓低時沖擊效率低等。液壓式錨桿鉆機現多通過液壓馬達驅動鉆桿鉆頭旋轉實現切削破巖，這種驅動方式能夠避免齒輪傳動帶來的結構復雜、故障多等問題，其多為低速轉動結構，通過自帶的液壓泵站為其提供液壓動力。電動式錨桿鉆機是一種采用專用防爆電機驅動鉆頭鉆桿切削破巖的錨桿鉆機，其在煤礦中應用時只能采用專用防爆電機。電動鉆機的優點為動力單一，不需要能量轉換，能量效率高；缺點為電機的功率較小，施工主要受電機的重量限制，且其電機對防水防塵防爆性能的要求較高。按破巖方式可分為：回轉式、沖擊式和沖擊回轉式。回轉式鉆機是由動力裝置帶動鉆機回轉裝置轉動，從而帶動有鉆頭的鉆桿轉動，由鉆頭切削破巖；沖擊式鉆機是由沖擊動力裝置帶動鉆機來回破巖；沖擊回轉式鉆機則采用沖擊式旋轉式兩種方式共同破巖。按操作方式可分為：支腿式和手持式。支腿式為采用一級或多級缸筒支撐推進的錨桿鉆機；手持式為手動帶動推進的錨桿鉆機［3-4］。

2 專利數據分析

2.1 數據源與關鍵詞

本文的數據來源于CNABS中文摘要數據庫、CNTXT中文全文數據庫、DWPI和SIPOABS英文摘要數據庫以及ENTXT英文全文數據庫。檢索關鍵詞為：錨桿、錨固、鉆機、車、打眼，打孔、鉆孔、鉆進、bolt+，anchor+，drill+、rig？ 、truck？、jumbo？、car、carriage。選取的分類號為E21C35/， E21D/20。采用上述檢索要素得到的專利申請經過降噪和篩選后構成本文待分析的專利數據庫。

2.2 專利數據統計和分析

2.2.1 核心專利統計。專利的被引用頻次是其所記載的相關技術在相關領域是否處于核心地位的重要考量，而同族專利申請數量的多少則代表申請人在國際專利上的布局，常常體現出其在市場中的經濟價值。因此，本文根據所篩選數據庫中專利文獻的被引頻次數和同族專利數對本領域的專利申請進行篩選，并按照被引頻次依序列舉出10篇核心專利申請進行分析，如表1所示。

如表1所述，高頻被引專利集中于歐美老牌工業機械制造廠商如美國的英格索蘭（Ingersoll Rand）、久益（Joy），瑞典的阿特拉斯（atlas），法國的艾姆克（EMKA），奧地利的奧鋼聯（voestalpine）等工業集團。這主要得益于歐美較早開始進行系統性的錨桿圍巖支護體系的研究。例如，早在20世紀50年代，美國、瑞典等西方國家就已開始使用支腿式氣動錨機進行錨固鉆孔，與此同時也開展了機載式錨桿鉆車研發［5］。20世紀70年代，隨著錨固支護方式逐漸應用于煤礦巷道大斷面的施工情況，美國英格索蘭、瑞典阿特拉斯等企業采用功能多、機械化程度高的液壓臺式錨桿鉆裝一體化設備。其不但能進行錨固鉆孔施工，還能進行錨桿的安裝，施工效率進一步提高。我國錨桿鉆機技術起步較晚，自20世紀90年代以后，隨著錨固支護方式在我國的大力推廣，才開始進行錨固鉆機的引進和研發。表1中的煤炭科學研究總院及其下屬的山西天地煤機裝備有限公司、中煤科工太原研究院等在近些年的錨固鉆機研發中取得了長足的進展，基本滿足了我國各類巷道錨固支護的需求。此外，就同族專利在各國的布局而言，上述歐美企業的核心專利基本在重要國家都有所布局，專利布局意識較我國明顯更強，我國在專利保護及布局方面還有待提高［6-8］。

2.2.2 部分核心專利分析。①在US5449047申請以前的錨桿鉆機鉆眼鉆進過程中，采用人為扶正導向的方式。這種操作方式必然會造成鉆進的錨桿鉆眼產生一定的偏移。該專利是英格索蘭公司早期申請的一種錨桿鉆機的平衡導向裝置，是為了解決以往人力打鉆時，錨桿在鉆進的過程中不能有效導向的技術問題。其包括安裝在鉆架10上的鉆進頭部12，鉆進頭部12上安裝鉆桿支撐裝置14，鉆桿支撐裝置14的兩側上安裝可以在鉆架上滑動的滑架16，鉆桿支撐裝置14上安裝液壓旋轉馬達20、22，通過限定的框架與滑架結構實現鉆桿鉆眼過程的自動扶正（見圖1）。

②AT118889是奧地利奧鋼聯公司于1991年提出的，該項申請首次提出了將錨桿鉆機安裝于采煤機上，從而實現了采、錨一體化施工的目的。本申請包括連采機2，錨桿鉆機15，連采機2上設置有滑桿16、17，連采機2通過滑桿16、17與錨桿鉆機15的上下端連接，通過滑桿16、17的拉動實現錨桿鉆機15在豎直方向上的回轉，從而施工不同方位的鉆眼。雖然在該專利申請之前已經有發明構思將錨桿鉆機安裝于掘進機上，如US3813126、US4098538，但該發明將錨桿鉆機設置于采煤機上從而實現采錨一體化的構思仍然將機載式錨桿鉆機的發展向前推進了一大步（見圖2）。

③隨著我國在煤礦行業的大力發展，錨桿鉆機的研制也有了長足的進步，在一定程度上打破了英美等國對該領域的壟斷，填補了我國在錨桿鉆車領域的空白。CN1584292是煤炭科學研究院太原分院研制的一種履帶式錨桿鉆車，其是一種機載式錨桿鉆車。由于錨桿鉆眼是在井下的惡劣環境中進行的，因此對整個電器件都作了防爆處理。該錨桿鉆機包括機座1、行走機構2、工作臺3、鉆架組件7、滑軌組件8、支護組件9及升降機構，構成了一個完整機型。整機采用液壓傳動，自動除塵、自動卷電纜、履帶式行走，液壓缸支配升降機構升降，在采掘巷道可自如移動、升降、多臂錨桿鉆孔作業，使錨桿鉆孔及支護完全自動化。該鉆車適合我國煤礦井下地質條件，電器元件采用防爆設計，升降及行走機構設計合理，機械智能化程度很高，適用于我國復雜地質條件下的錨鉆支護工作（見圖3）。

3 專利技術發展演進

通過對全球及國內錨桿鉆機相關的專利和技術脈絡進行分析和梳理，得到了該領域的專利技術演進路線。錨桿鉆機的專利技術演進路線如圖4所示。

自20世紀50年代第一臺錨桿鉆機在美國誕生以來，歷經幾十年的發展，錨桿鉆機的發展日新月異。由澳柑鉆機錨桿鉆機專利發展演進路線可知：

在結構形式方面，加德納公司早在1964年便研發出了采用履帶作為行走結構的鉆車式錨桿鉆機US3117756，其后BUMUELLER將行走結構設計為更方便的輪轂式結構US3823902。再將其延伸到機載方面，美國BENDIX公司于1972年首次嘗試將錨桿鉆機安裝于掘進機上，實現鉆錨與掘進的一體化；1991年奧地利奧鋼聯公司則首次將其安裝于連采機上AT118889，實現采煤與鉆錨的一體化；隨著錨桿鉆機技術在中國的快速發展，中國申請人對錨桿鉆機進行了進一步改進，開始將多臺鉆機安裝于掘進機的回轉機構上，實現其自由旋轉CN2561910。在動力來源方面，美國久益公司研發和生產的支腿式氣動錨桿鉆機在該領域解決了不同的技術問題，于2004年申請的US2004/0118578式氣動錨桿鉆機解決了多層頂板同時鉆孔錨固的問題。在液壓鉆機方面，澳大利亞研發了POBAM型，US4068728。通過檢索發現，專利中有關破巖方式以及操作方式的數量較少。在破巖方式方面，比較有代表性的是中國的專利CN272376Y，采用活塞式沖擊動力源的沖擊旋轉雙重動力；還有卡德彼勒公司提出的以旋轉為主、沖擊為輔的混合動力方式US2009052968。在操作方式方面，則有英格索蘭公司在手持式鉆機的基礎上提出的自動平衡導向裝置US5449047。

4 結語

本文對錨桿鉆機領域的重要分類進行了介紹，同時對國內外專利進行了整理和分析，其中重點分析了錨桿鉆機領域的部分核心專利及其基于分類體系下的技術演進路線。早在1970年以前，國際上便出現了錨桿鉆機的專利申請，經過多年的發展，相關領域的核心技術仍然掌握在少數巖土行業巨頭手中。目前，我國相關領域專利申請人較為分散，距離歐美相關行業巨頭仍有不小差距。同時，專利申請的主要方向開始向多功能、集成化的機載式錨桿鉆車發展。

參考文獻：

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