煤礦用三臂錨桿鉆車研發(fā)與應(yīng)用

楊文斌

（山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046000）

引言

根據(jù)煤礦有疑必探、有掘必探的要求，探放水作業(yè)是當(dāng)下煤礦安全生產(chǎn)的必要施工工序，傳統(tǒng)的探水設(shè)備多采用履帶式深孔鉆車、移動式坑道鉆車或者非自移式探水鉆機，履帶式深孔鉆車、移動式坑道鉆車不僅增加了巷道設(shè)備數(shù)量、增加了交替錯機風(fēng)險，而且造價高昂、體積大，配置人員數(shù)量多；非自移式探水鉆機功率較小，達不到探放水深度要求，且勞動強度高，需要人工搬運，存在較大的安全隱患。煤礦用三臂錨桿鉆車充分考慮機組功能的多樣化，不僅在機組兩側(cè)設(shè)有左右錨鉆部，還在機組中部設(shè)計有探水鉆機，不僅增加了施工探測孔的功能，拓寬了設(shè)備的功能和適用范圍，而且減少了井下設(shè)備種類，優(yōu)化了煤礦井下巷道設(shè)備配置[1]。

1 煤礦用三臂錨桿鉆車的組成及工作原理

煤礦用三臂錨桿鉆車屬于煤礦井下支護設(shè)備，主要由行走部、機體部、升降部、錨鉆部、鉆孔推進器、前部支撐、探水鉆機、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖1 所示。巷道掘進時，煤礦用三臂錨桿鉆車與掘進機交替進行探測、掘進、錨護作業(yè)，大幅提升了掘進支護效率[2-3]。

圖1 整機結(jié)構(gòu)

2 主要技術(shù)參數(shù)

工作范圍（寬×高）為5700 mm×4500 mm；總裝機功率為55 kW；行走方式為履帶式；行走速度為14 m/min；爬坡能力為±16°；鉆臂數(shù)量為3 臺；鉆進錨桿、錨索孔直徑分別為22 mm、42 mm；鉆進錨桿、錨索孔深度為20 m；鉆進錨桿、錨索孔用鉆桿規(guī)格分別為B19、B22；推進器推進行程為1660 mm；推進器推進速度為5 m/min。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

三臂錨桿鉆車適用于掘進巷道，可實現(xiàn)探水作業(yè)、鉆孔、錨桿及錨索施工等功能，機組機身為窄型設(shè)計，方便與掘進機掘錨交替作業(yè)。機組共配套3 臺鉆機，機組中部鉆機與前部支撐支護外套筒配合使用，可施工巷道迎頭工作面不同位置探水孔，機身左右兩側(cè)各布置1 臺鉆機及鉆臂機構(gòu)，可施工巷道全方位頂板、側(cè)幫錨桿及錨索孔；整機采用整體升降式工作平臺，前部支撐、中部鉆機、鉆臂機構(gòu)均設(shè)置在工作平臺上方，可跟隨工作平臺上下升降，滿足不同高度范圍施工要求，同時機組設(shè)有可升降的前部支撐結(jié)構(gòu)，起到臨時支護的作用，有效保證作業(yè)人員安全。整機使用大功率電機為機組的液壓系統(tǒng)、機組照明、瓦斯監(jiān)測等提供動力；液壓系統(tǒng)采用知名品牌的負(fù)載敏感柱塞泵，質(zhì)量可靠，性能穩(wěn)定[4-5]。

3.1 前部支撐

前部支撐位置設(shè)在整體式升降平臺前部中間位置，主要由支護外套筒、支護伸縮油缸、支護內(nèi)套筒、支護頂梁、支護支撐油缸等組成，支護外套筒在支護支撐油缸的作用下既可以向上撐緊巷道頂板，也可以向前撐緊巷道迎頭工作面，前后角度變化范圍為90°，使巷道頂板支護與工作面迎頭探水作業(yè)切換方便。當(dāng)進行頂板支護時，操縱手柄調(diào)整前部支撐動作，使其移至合適的位置撐緊巷道頂板，并將支護頂梁的內(nèi)套筒向左右伸展出來，滿足大支護面積的使用要求。前部支撐的主要作用是保護操作者的安全，起到臨時支護的目的?；诖耍瑱C組進行錨桿、錨索作業(yè)時一定要將前部支撐機構(gòu)升起，支護頂梁展開，防止頂板塌陷。前部支撐結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 前部支撐結(jié)構(gòu)

3.2 探水鉆機

探水作業(yè)是當(dāng)下煤礦安全生產(chǎn)的必要施工工序，本機組將探水鉆機設(shè)于前部支撐中間位置，當(dāng)進行迎頭探水作業(yè)時，操縱前部支撐操作閥手柄使前部支撐及探水鉆機處于水平位置，并將支護內(nèi)套筒向前伸出，支護頂梁左右展開，防止迎頭塌陷，保護作業(yè)人員安全。該探水鉆機可實現(xiàn)巖巷、煤巷、半煤巖巷錨桿支護施工中的探水作業(yè)，探水動力頭內(nèi)的大扭矩液壓馬達利用壓力油作為動力源，有效地解決了工作時所需的扭矩與轉(zhuǎn)速，可根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)推進速度和馬達轉(zhuǎn)速，以保證鉆孔效率；推進油缸采用二級伸縮推進，可以實現(xiàn)較大的工作行程；夾持器具有夾緊與松開鉆桿的功能，快速實現(xiàn)緊固和拆卸鉆桿的目的，方便鉆桿的拆裝與支扶定位；滑動座的圓形滑軌面與滑道的精加工圓鋼面配合，加工成型簡單，保證了鉆孔作業(yè)滑動平穩(wěn)，不卡頓。探水鉆機結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 探水鉆機結(jié)構(gòu)

3.3 左右鉆臂

機組左右鉆臂共兩臺，呈對稱分布，可施工頂板錨桿孔，也可施工角錨桿孔、側(cè)幫錨桿孔等，兩臺鉆臂配合作業(yè)、互為補充、互不干涉，大幅提升了錨護作業(yè)效能。左右鉆臂采用懸臂式結(jié)構(gòu)，左右對稱布置安裝在升降平臺上，主要由鉆孔推進器、擺動油缸Ⅰ、擺動油缸Ⅱ、調(diào)整機構(gòu)、伸縮總成、支撐油缸、回轉(zhuǎn)座、固定座等組成，鉆臂與鉆孔推進器連接，通過兩者共同配合，完成鉆孔及緊固錨桿錨索動作，實現(xiàn)的動作主要有鉆臂上下升降、臂身向外回轉(zhuǎn)、鉆臂伸縮總成前后伸縮、推進器左右旋轉(zhuǎn)、推進器前后旋轉(zhuǎn)等。鉆臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 鉆臂結(jié)構(gòu)

3.4 升降平臺

機組機體部上方設(shè)有整體式升降平臺，主要由后升降油缸、升降平臺、四連桿機構(gòu)、前穩(wěn)定機構(gòu)、前升降油缸、擺動油缸、翻板等組成，前后二級升降油缸伸縮，配合四連桿機構(gòu)和前穩(wěn)定機構(gòu)動作，升降平臺可實現(xiàn)高度方向0～1 m 行程范圍的平穩(wěn)升降，能較好地滿足操作人員不同高度范圍支護作業(yè)的要求；同時升降平臺兩側(cè)翻板在擺動油缸的作用下可左右展開，寬度可達3.1 m，翻板上表面采用防滑結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證了人員的站位安全及站位面積需求。升降平臺結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 升降平臺結(jié)構(gòu)

3.5 電氣系統(tǒng)

機組電氣系統(tǒng)主要由真空電磁起動器、三相異步電動機、LED 照明燈、急停按鈕、隔爆電鈴、甲烷斷電儀及各電纜組成，電氣系統(tǒng)通過真空電磁起動器控制油泵電機的起停，整機具有安全可靠回路保護功能。

3.6 液壓系統(tǒng)

機組液壓系統(tǒng)是由泵站、油箱、操縱臺、液壓油缸、擺動馬達、閥組及相互聯(lián)接的管路組成。整機的泵站是由一臺55 kW 三相異步電動機，驅(qū)動一臺負(fù)載敏感柱塞泵，經(jīng)比例換向閥，將壓力油分別推送給各執(zhí)行機構(gòu)，來完成各部件的動作。液壓系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

1）驅(qū)動行走馬達運轉(zhuǎn)，帶動機組實現(xiàn)行走；

2）實現(xiàn)鉆臂部的升降、伸縮及鉆孔推進器的各種動作；

3）實現(xiàn)升降平臺、前部支撐的升降；

4）實現(xiàn)探水鉆機各種動作，提供施工鉆孔時所需的動力。

4 煤礦用三臂錨桿鉆車特性介紹

煤礦用三臂錨桿鉆車適用于掘進工作面探、鉆、錨施工作業(yè)，解決傳統(tǒng)探放水設(shè)備種類多、配置人員多、施工效率低、作業(yè)不安全的現(xiàn)實難題。機組中部機載式大扭矩探水裝置可實現(xiàn)巷道迎頭斷面探放水孔機械化施工，解決探放水效率低和錯機輔助時間長的問題；左右鉆臂相互獨立，互不影響，可互相協(xié)調(diào)配合、平行作業(yè)，提升錨鉆效能，節(jié)省大量輔助時間。前部支撐主要作用是機械托網(wǎng)及保護作業(yè)人員在空頂下的安全，起到臨時支護的作用。

該機具有如下顯著優(yōu)點：大扭矩探水鉆機可進行迎頭探水孔、炮眼孔、瓦斯孔等施工作業(yè)，探水施工與錨桿孔施工相互獨立，互不影響，最大鉆孔深度可達120 m；機組左右鉆臂可平行作業(yè)，滿足巷道全斷面錨桿、錨索施工工藝要求，可大大縮短支護時間，提升支護效率；機組采用可伸縮機載式前部支撐，支護效果更好，可改善工人作業(yè)環(huán)境的安全性；機組采用整體式升降平臺，配合四連桿與前穩(wěn)定機構(gòu)動作，升降平穩(wěn)，方便作業(yè)人員根據(jù)不同的巷道高度對平臺進行調(diào)整，適應(yīng)面廣；平臺左右兩側(cè)分別配套可展開的翻板，有效增加作業(yè)人員站位面積。

5 實際應(yīng)用效果分析

本煤礦用三臂錨桿鉆車與掘進機配合作業(yè)，工作時，首先煤礦用三臂錨桿鉆車進行掘前探測孔施工，探測孔施工完畢后進行掘、錨交替循環(huán)作業(yè)，掘、錨循環(huán)交替作業(yè)具體流程如下：掘進機行至工作面割煤，切割成巷，割煤一定距離后，掘進機后退至錨桿鉆車后方靠幫停機，緊接著，煤礦用三臂錨桿鉆車移至工作面對巷道頂幫進行全斷面錨桿、錨索支護，支護完畢后，鉆車退至掘進機后方靠幫，如此循環(huán)作業(yè)，完成巷道快速掘進；煤礦用三臂錨桿鉆車自2021 年11 月開始進行井下工業(yè)性試驗，巷道寬度為5.6 m、高度為4.5 m，頂錨桿每排6 根，排距1 m，幫錨桿左右各4 根，錨桿長度為2.4 m，錨索工藝為2-1-2 布置形式，錨索長度為8.3 m，每班3 人工作支護，單班最高日進尺達到7 m，最高月進尺達到210 m，日均進尺由原來的5 m 提升至7 m（每月按30 d 算），掘進速度大幅提高。同時，對鉆車進行了探水功能試驗，探水鉆機在迎頭工作面進行探水孔施工，每次探水打5 個眼，使用鉆桿的直徑為42 mm、長度為800 mm，鉆頭直徑為65 mm，探水鉆孔施工鉆進100 根鉆桿，共鉆進距離80 m，每個探水眼約施工5 h，共用時25 h，可滿足掘前探測施工要求。

5 結(jié)語

本煤礦用三臂錨桿鉆車屬于掘進后配套裝備，與掘進機配合使用，適用于礦山巷道掘進工作面的支護機械化作業(yè)。本鉆車鉆進功能全面，機組靈活可靠，既可進行探水鉆孔作業(yè)，也可施工全斷面錨桿錨索孔，三個鉆機可隨升降平臺上下升降，滿足不同高度范圍機械化施工要求，實現(xiàn)了一機多用、多功能集成，減少了設(shè)備數(shù)量，有效提升了礦井生產(chǎn)的單進水平，降低了操作人員的勞動強度，達到減人增效的目的，為國內(nèi)煤礦快掘快支系統(tǒng)的研究提供了強有力的技術(shù)支持。