大斷面橫軸式掘錨機鉆錨系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)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(chǎn)的核心環(huán)節(jié)之一，對礦井安全、生產(chǎn)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(diào)、接續(xù)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(chǎn)的共性關(guān)鍵問題。

掘錨機組是適用于高產(chǎn)高效礦井煤礦巷道快速掘進的掘錨一體化設(shè)備，與連續(xù)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(shè)備的換位作業(yè)時間，在同一臺設(shè)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(shù)革命，其掘錨一體化技術(shù)在煤礦巷道快速掘進、提高錨桿支護效果及促進安全生產(chǎn)等方面具有很大的優(yōu)勢[1]。

1 大斷面掘錨機的總體設(shè)計

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

根據(jù)小保當煤礦的需求，定制研發(fā)適應(yīng)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(guān)參數(shù)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(tǒng)頂鉆2部+幫鉆2部，系統(tǒng)壓力25 MPa，噴霧+泡沫除塵，隔爆兼本質(zhì)安全型電控系統(tǒng)。

圖1 大斷面掘錨機總體設(shè)計

2 鉆錨系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)小保當煤礦賦存地質(zhì)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(tǒng)的技術(shù)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(wěn)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?guī)湾^鉆機完成MG13、MG14的錨桿。

4）其余的錨桿和錨索由后續(xù)的支護臺車來完成，從而實現(xiàn)分段支護、多鉆機并行作業(yè)，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(shè)計

根據(jù)礦上順槽斷面支護工藝要求,頂錨桿鉆機需實現(xiàn)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(yè)的具體要求[3]。如下頁圖3所示為左頂錨鉆機結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

左右頂錨鉆機設(shè)計為中心對稱機構(gòu),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(xiàn)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(xiàn)鉆機向外側(cè)最大擺動15°、內(nèi)側(cè)擺動5°，從而使頂錨桿鉆機具備多自由度要求，實現(xiàn)頂錨鉆機在寬度方向3 440～5 440 mm的范圍內(nèi)垂直于頂板的頂錨支護；根據(jù)需求進行有角度頂錨支護，可實現(xiàn)距巷道中心線500 mm到側(cè)幫3 250 mm的支護范圍。

初始位置時，設(shè)計的頂錨鉆機鉆箱出口、撐頂機構(gòu)分別距離基座底面710 mm、2 400 mm，鉆箱行程3 220 mm、撐頂機構(gòu)行程1 580 mm，即頂錨鉆機最大支護高度可達4 670 mm，可適應(yīng)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(shè)計

根據(jù)礦上順槽斷面支護工藝要求，側(cè)幫錨桿鉆機的功能需實現(xiàn)上下升降、上下回轉(zhuǎn)和鉆進等功能要求，以符合側(cè)幫錨桿作業(yè)的具體要求。如圖4所示為左側(cè)幫錨鉆機結(jié)構(gòu)圖。

左、右兩側(cè)幫錨鉆機設(shè)計為中心對稱結(jié)構(gòu)，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(cè)幫鉆機升降；滑動座由滑架導軌導向，并由倍速機構(gòu)實現(xiàn)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(xiàn)幫錨鉆機180°范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。

圖4 左側(cè)幫錨鉆機結(jié)構(gòu)

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

3 掘錨機控制流程設(shè)計

掘錨機執(zhí)行動作繁多，作業(yè)流程復雜，控制系統(tǒng)為負載反饋的電液控制系統(tǒng)，有利于實現(xiàn)相關(guān)作業(yè)工序或流程的自動控制和功能閉鎖，避免誤操作引發(fā)事故。

掘錨機作業(yè)工序主要分為截割與錨護、移機；按控制模式設(shè)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(cè)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(shè)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(shè)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(cè)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(zhí)行動作，實現(xiàn)掘支錨運一體化作業(yè)，同時極大地提高了各作業(yè)流程和功能間的安全性。

4 應(yīng)用

首臺研發(fā)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(shè)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(jīng)過初步應(yīng)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(jīng)過后期磨合，預計可穩(wěn)產(chǎn)50 m/d以上，達到快速掘進的設(shè)計目的。新研發(fā)投入的國產(chǎn)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(chǎn)品的依賴，降低整機購置、配件及服務(wù)成本、縮減配件工期；同時提升了我國高端煤機研發(fā)與制造的技術(shù)水平，對于智能煤礦、智慧礦區(qū)的建設(shè)起到技術(shù)與裝備支撐。