煤礦巷道組合式錨桿鉆機(jī)支護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

汪勁濤

(山西省能源發(fā)展中心，山西 太原 030000)

0 引 言

隨著快速掘進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦巷道支護(hù)變得越來越重要，煤礦巷道圍巖的支護(hù)是保證煤礦產(chǎn)量和井下人員的生命健康安全的重要保障[1]。傳統(tǒng)的煤礦巷道支護(hù)采用的是單機(jī)支護(hù)，也就是通過工人手持錨桿鉆機(jī)進(jìn)行單根錨桿的鉆進(jìn)，鉆孔效率不高、鉆孔工人的勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，鉆孔精度受工人經(jīng)驗(yàn)的影響較大，嚴(yán)重影響了巷道施工的進(jìn)度，傳統(tǒng)的錨桿鉆機(jī)已經(jīng)不適合當(dāng)下的快速掘進(jìn)和支護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展[2]。

隨著我國煤炭開采科技領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)煤礦巷道支護(hù)提出更高的要求。傳統(tǒng)的單體錨桿鉆機(jī)已經(jīng)無法滿足當(dāng)前的掘進(jìn)速度和支護(hù)速度，筆者設(shè)計(jì)了一種煤礦巷道組合式錨桿鉆機(jī)支護(hù)平臺(tái)，具有履帶式移動(dòng)裝置、錨桿鉆孔裝置、頂部圍巖臨時(shí)支護(hù)裝置等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頂部圍巖、側(cè)幫圍巖的同步鉆進(jìn)，一次完成多根錨桿孔打鉆，一次完成對(duì)頂幫和側(cè)幫圍巖的加固，促進(jìn)了巷道支護(hù)效率，對(duì)于提高煤礦產(chǎn)量和掘進(jìn)量具有重要的意義。

1 組合式錨桿鉆機(jī)支護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)化建模

錨桿鉆機(jī)是目前煤礦巷道支護(hù)中的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備，一般與掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行配套，掘進(jìn)與支護(hù)轉(zhuǎn)載同步是未來的發(fā)展方向。煤礦井下巷道掘進(jìn)工作環(huán)境比較惡劣，長期處于多塵、潮濕以及噪聲大等環(huán)境中[3]。所以，組合式錨桿鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)需要滿足煤礦井下復(fù)雜的工作環(huán)境條件要求，同時(shí)為保證實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步打鉆，掘進(jìn)機(jī)同步跟進(jìn)，提高鉆孔速度和巷道支護(hù)速度，為此對(duì)組合式錨桿鉆機(jī)設(shè)計(jì)提出如下要求。

(1) 組合式錨桿鉆機(jī)在應(yīng)對(duì)井下復(fù)雜條件的基礎(chǔ)上，保證結(jié)構(gòu)足夠的強(qiáng)度和剛度，對(duì)頂板的臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度，具有一定的承載能力。

(2) 組合式錨桿鉆機(jī)采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，與掘進(jìn)機(jī)共用一個(gè)液壓泵站，在遇到大偏載工況下完成對(duì)巷道頂部的支護(hù)和鉆孔，結(jié)構(gòu)上具有較好的穩(wěn)定性。

(3) 結(jié)構(gòu)組成方面，由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、打鉆執(zhí)行機(jī)構(gòu)、動(dòng)力源等部分組成，保證組合式錨桿鉆機(jī)的前進(jìn)性和通過性。

(4) 根據(jù)巷道支護(hù)的要求，完成頂部和側(cè)幫的鉆孔，實(shí)現(xiàn)一次同步5根錨桿的鉆進(jìn)，滿足不同尺寸和長度錨桿的結(jié)構(gòu)適配需求。

使用SolidWorks建立各個(gè)零部件的三維模型，隨后進(jìn)行智能裝配，圖1所示為組合式錨桿鉆機(jī)聯(lián)合作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成圖。

圖1 組合式錨桿鉆機(jī)三維模型圖1.翻轉(zhuǎn)千斤頂 2.移動(dòng)千斤頂 3.滑動(dòng)架 4.頂梁平臺(tái)架 5.回轉(zhuǎn)千斤頂 6.支撐柱 7.側(cè)移平臺(tái)架 8.履帶 9.液壓缸固定架10.內(nèi)置液壓鋼 11.頂錨支撐架 12.頂部錨桿鉆機(jī) 13.側(cè)幫錨桿鉆機(jī) 14.起升液壓千斤頂 15.前梁

圖1中，組合式錨桿鉆機(jī)主要由履帶行走機(jī)構(gòu)、排鉆千斤頂、支撐結(jié)構(gòu)以及頂錨桿鉆機(jī)、幫錨桿鉆機(jī)等組成，結(jié)構(gòu)比較簡單?？梢允褂寐膸?shí)現(xiàn)井下的移動(dòng)和行走，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頂部的打鉆和側(cè)幫的打鉆，通過液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，操作控制閥組實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)液壓油缸以及履帶行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，控制精度高，可靠性好，適合煤礦井下的環(huán)境。

2 組合式錨桿鉆機(jī)電氣液壓控制系統(tǒng)

組合式錨桿鉆機(jī)使用可靠性和穩(wěn)定性比較高的液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，其中液壓系統(tǒng)是保證錨桿鉆機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵部件。其中選擇的比例多路閥是采用雙重控制功能，一方面是實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，另外一方面可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的冗余，利用多點(diǎn)控制可以保證出現(xiàn)故障后及時(shí)處理。在組合式錨桿鉆機(jī)中使用的是比例多路換向閥，在每一片比例閥上面都集成了一個(gè)定差減壓閥和梭閥，定差減壓閥控制閥片進(jìn)出油壓差使其保持在恒定水平，梭閥主要是對(duì)閥動(dòng)作時(shí)將信號(hào)傳遞給油泵。圖2所示為多路換向閥結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖。

圖2 負(fù)載敏感多路換向閥液壓系統(tǒng)原理圖1.控制閥 2.變量泵 3.變量缸 4.負(fù)載敏感閥 5.高壓切斷閥6.液壓缸 7.敏感單元

負(fù)載敏感多路換向閥液壓系統(tǒng)主要由控制閥、變量泵、變量油缸、負(fù)載敏感閥等組成[4]，其中的負(fù)載敏感多路換向閥是一個(gè)組合閥，整體上由連接塊、換向閥、尾板部件組成，負(fù)載敏感多路換向閥是為了控制液壓執(zhí)行元件(千斤頂液壓缸)的運(yùn)動(dòng)以及履帶執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方向和調(diào)節(jié)獨(dú)立于負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度，可以多個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，獲得不同的壓力值和流量值，通過負(fù)載敏感多路換向閥使所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量總和達(dá)到泵輸出的最大的排量。圖3所示為閥組結(jié)構(gòu)圖。

圖3 多路換向閥組示意圖

圖3為多路換向閥組結(jié)構(gòu)示意圖，使用手動(dòng)進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)各個(gè)閥口的開閉，其中負(fù)載敏感換向閥閥口前設(shè)有定差減壓閥，它的一側(cè)作用著換向閥出口的負(fù)載壓力和彈簧力，另一側(cè)作用著換向閥進(jìn)口壓力，所以換向閥閥口前后的壓力差值由彈簧力決定。當(dāng)閥口開度不變，閥口的流量基本不變，使得控制執(zhí)行元件的流量不受負(fù)載壓力的影響。

3 組合式錨桿鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

組合式錨桿鉆機(jī)液壓系統(tǒng)主要采用的是WLZ-72型電氣液壓系統(tǒng)，主要包括了遙控發(fā)射器、遙控接收器、32位運(yùn)動(dòng)專用控制器、開關(guān)電源、液晶顯示器、負(fù)載敏感比例多路閥組等組成。通過手持遙控發(fā)射器實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓錨桿鉆機(jī)的左幫錨、右?guī)湾^、行走框架、頂錨的各部分動(dòng)作進(jìn)行無線遙控控制。其中KXJ2-60/1140(660)礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電控箱，產(chǎn)品執(zhí)行國家有關(guān)隔爆產(chǎn)品的相關(guān)規(guī)定，本標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB3836.1-2010爆炸性環(huán)境。具體控制流程如圖4所示。

圖4 組合式錨桿鉆機(jī)控制流程圖

組合式錨桿鉆機(jī)控制流程圖主要包括頂升過程、鉆進(jìn)過程和復(fù)位過程，均采用手柄通過按鍵控制操作，電氣控制系統(tǒng)主要由隔爆兼本質(zhì)安全型的控制柜、煤礦井下用的變壓器、電源開關(guān)和顯示器等部件組成，還包括信號(hào)線等附加配件，運(yùn)動(dòng)的控制器為移動(dòng)設(shè)備以及車身的實(shí)際移動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用可編程控制器進(jìn)行控制，可編程控制器的軟件編程是利用CODESYS 3.5,符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，支持IL、LD、SFC、ST、CFC、FBD六種編程語言。通過CAN總線采集各種傳感器信號(hào)，通過在控制器的輸出和輸出端子部分進(jìn)行接線，輸出可以直接驅(qū)動(dòng)電液比例閥、實(shí)際開關(guān)閥、電壓閥等多種閥組，最終采用運(yùn)動(dòng)專用控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)主運(yùn)動(dòng)的控制。相對(duì)來講，使用這套控制系統(tǒng)可以達(dá)到比較高的控制精度，控制系統(tǒng)的可靠性比較高，能夠滿足煤礦井下復(fù)雜工況下的控制要求。

4 應(yīng)用效果

圖5所示為組合式錨桿鉆機(jī)現(xiàn)場應(yīng)用圖，通過現(xiàn)場應(yīng)用表明：實(shí)現(xiàn)了多組錨桿鉆機(jī)的并排打鉆和臨時(shí)頂板支護(hù)，該套組合式錨桿鉆機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)多臺(tái)錨桿鉆機(jī)的同步鉆進(jìn)，控制系統(tǒng)精度較高，滿足對(duì)頂板的臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度要求，鉆進(jìn)速度和壓力可調(diào)節(jié)，大大提高了煤礦巷道支護(hù)速度，有利于推進(jìn)煤礦巷道開采速度和工程進(jìn)度。

圖5 現(xiàn)場應(yīng)用圖

5 結(jié) 語

由于傳統(tǒng)的錨桿鉆機(jī)僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)打鉆，打鉆速度比較慢，從而引起支護(hù)速度比較慢，為此設(shè)計(jì)了1臺(tái)組合式錨桿鉆機(jī)支護(hù)平臺(tái)，利用SolidWorks建立三維模型方案，并設(shè)計(jì)了電氣液壓控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多組錨桿鉆機(jī)同步打鉆，并且多個(gè)錨桿鉆機(jī)可以實(shí)現(xiàn)不同速度和不同壓力的鉆孔，適應(yīng)不同的圍巖特性，大大提高了鉆孔的效率和速度，有利于實(shí)現(xiàn)快速支護(hù)，對(duì)于加快煤礦巷道支護(hù)，提高煤礦巷道支護(hù)水平具有重要的意義和價(jià)值。