國(guó)內(nèi)外自動(dòng)錨桿鉆架類(lèi)型特點(diǎn)及研究方向

高志強(qiáng) ，郭治富

（1.煤炭科學(xué)研究總院, 北京 100013；2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司, 山西 太原 030006）

0 引 言

錨桿支護(hù)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種巷道支護(hù)方式[1]，錨桿安裝主要裝備有單體式錨桿鉆機(jī)[2]、錨桿臺(tái)車(chē)[3]、掘錨一體機(jī)[4]和單軌吊錨護(hù)機(jī)組[5]等。近年來(lái)，錨桿支護(hù)施工裝備雖然從性能、效率和適應(yīng)性等方面都得到了提升，但是掘支失衡問(wèn)題依然非常嚴(yán)重，錨桿支護(hù)仍是制約巷道快速掘進(jìn)的瓶頸問(wèn)題[6]。隨著傳感器技術(shù)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不斷發(fā)展進(jìn)步，煤礦機(jī)械裝備的智能化和自動(dòng)化具備了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)[7-8]。2019 年國(guó)家礦山安全監(jiān)察局公布的《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》中，將鉆錨機(jī)器人列為重點(diǎn)研發(fā)內(nèi)容，要求研發(fā)由錨桿機(jī)、錨桿倉(cāng)及智能控制系統(tǒng)組成的鉆錨機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)錨桿間排距自動(dòng)定位、機(jī)單元自動(dòng)或遙控行走、鉆孔、填裝錨固劑、錨桿裝卸、鎖緊錨桿等功能，以滿(mǎn)足井下巷道的快速支護(hù)要求。自動(dòng)錨桿鉆架作為鉆錨機(jī)器人完成鉆孔、裝填、錨固以及儲(chǔ)存錨桿（錨桿倉(cāng)）的核心部件，其性能直接決定了錨桿支護(hù)質(zhì)量、支護(hù)效率和作業(yè)安全性。盡管?chē)?guó)內(nèi)外主要采礦設(shè)備制造商、研究機(jī)構(gòu)和高校在自動(dòng)錨桿鉆架領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究工作，國(guó)外廠(chǎng)家已有成熟產(chǎn)品問(wèn)世，但由于技術(shù)保密等原因，自動(dòng)錨桿鉆架技術(shù)信息片段僅散見(jiàn)于企業(yè)官方網(wǎng)站宣傳材料、專(zhuān)利和論文等資料中，尚未有系統(tǒng)描述自動(dòng)錨桿鉆架技術(shù)完整知識(shí)體系的文獻(xiàn)。因此，為滿(mǎn)足煤礦井下對(duì)自動(dòng)錨桿支護(hù)裝備的迫切需求，加速推進(jìn)國(guó)自動(dòng)錨桿技術(shù)的發(fā)展，非常有必要對(duì)自動(dòng)錨桿鉆架技術(shù)路線(xiàn)進(jìn)行全面梳理，分析各類(lèi)型自動(dòng)錨桿鉆架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)水平及適用工況，提出適用于煤礦巷道的自動(dòng)錨桿鉆架的技術(shù)發(fā)展方向。

對(duì)國(guó)內(nèi)外自動(dòng)錨桿鉆架的布局型式與特點(diǎn)、鉆架結(jié)構(gòu)各組成部分的型式和工作原理進(jìn)行梳理和綜述，并指出自動(dòng)錨桿鉆架技術(shù)研究重點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，助力自動(dòng)錨桿鉆架實(shí)現(xiàn)鉆取錨桿孔-裝填錨固劑-錨固錨桿連續(xù)自動(dòng)作業(yè)，達(dá)到“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”的目標(biāo)，最終推動(dòng)掘進(jìn)工作面無(wú)人化建設(shè)。

1 自動(dòng)錨桿鉆架的布局型式與特點(diǎn)

1.1 國(guó)外自動(dòng)錨桿鉆架的布局型式與特點(diǎn)

國(guó)外自動(dòng)錨桿鉆架按照總體布局型式，主要分為3 類(lèi)：轉(zhuǎn)塔式、切換式、自鉆式。

轉(zhuǎn)塔式自動(dòng)錨桿鉆架包含鉆孔裝置、錨固劑注入裝置、錨固裝置和錨桿倉(cāng)等，并環(huán)形布置于回轉(zhuǎn)軸上，依靠液壓缸動(dòng)作完成3 種裝置的工作位置切換。鉆孔裝置和錨固裝置分別具有獨(dú)立的推進(jìn)梁；錨固劑注入裝置大多布置于鉆孔裝置和錨固裝置之間。錨桿倉(cāng)安裝于錨固裝置的推進(jìn)梁側(cè)面。

國(guó)外大多數(shù)廠(chǎng)商生產(chǎn)的自動(dòng)錨桿鉆架采用轉(zhuǎn)塔式布局。典型代表產(chǎn)品有：瑞典Sandvik 生產(chǎn)的錨桿鉆架（圖1a）具有模塊化結(jié)構(gòu)，配有高性能的BH 錨桿支護(hù)頭和RD 鑿巖機(jī)，鉆孔功率14 kW，回轉(zhuǎn)扭矩340 N·m，錨桿倉(cāng)存放8 根錨桿，可以完成1.5～3.0 m 的錨桿安裝工作[9]。秘魯Resemin 錨桿鉆架（圖1b）搭載Montabert HC 鉆箱，鉆孔功率達(dá)到14 kW，回轉(zhuǎn)扭矩415 N·m，錨桿倉(cāng)可以存放12 根錨桿，鉆架上錨固劑裝填裝置連接在鉆孔裝置一側(cè)，不需要單獨(dú)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)[10]。美國(guó)J.H Fletcher 錨桿鉆架（圖1c）鉆孔轉(zhuǎn)速最高可達(dá)560 r/min，回轉(zhuǎn)扭矩450 N·m，其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在于鉆桿除塵技術(shù)，通過(guò)在鉆箱中設(shè)計(jì)除塵孔，配合風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)鉆孔除塵[11]。波蘭Mine Master 生產(chǎn)的搭載于鉆車(chē)上的錨桿鉆架（圖1d），其鉆孔功率高達(dá)29 kw，錨桿倉(cāng)可以存放16 根錨桿，搭載的鉆箱可以滿(mǎn)足深孔加工的需要，并可以通過(guò)藍(lán)牙控制面板遠(yuǎn)程控制[12]。

圖1 轉(zhuǎn)塔式錨桿鉆架Fig.1 Turret bolting frame

切換式自動(dòng)錨桿鉆架包含鉆孔裝置、錨固劑注入裝置、錨固裝置和錨桿倉(cāng)等。鉆孔裝置和錨固裝置共用同一個(gè)推進(jìn)梁，通過(guò)安裝在推進(jìn)梁下端的切換裝置，實(shí)現(xiàn)鉆孔裝置和錨固裝置工作位置的切換。錨固劑注入裝置通常連接在推進(jìn)梁頂端，錨桿倉(cāng)安裝在推進(jìn)梁側(cè)面。典型產(chǎn)品有瑞典Altas 公司生產(chǎn)的Boltec 系列錨桿鉆車(chē)上搭載的MBU 錨桿裝置（圖2），鉆孔功率11 kW，回轉(zhuǎn)扭矩250 N·m，錨桿倉(cāng)存放10 根錨桿，可以完成1.5～6 m 的錨桿安裝工作，實(shí)現(xiàn)了錨固裝置模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)不同配置可適應(yīng)水漲式、管縫式、機(jī)械式和樹(shù)脂式錨桿的安裝作業(yè)[13]。

圖2 切換式錨桿鉆架Fig.2 Switch bolting frame

自鉆式自動(dòng)錨桿鉆架主要完成自鉆錨桿的安裝工作，與上述鉆架錨護(hù)工藝不同，自鉆錨桿鉆架錨護(hù)工藝為鉆孔-裝填錨固劑-釋放鉆具，只需要一個(gè)鉆箱和推進(jìn)梁即可完成作業(yè)，結(jié)構(gòu)形式較上述兩種更為簡(jiǎn)單。澳大利亞Rambor 公司設(shè)計(jì)的SPILING RIG 為“One Step Bolt”錨桿鉆架（圖3a）一般應(yīng)用在軟巖中，適配2.5 m 的自鉆錨桿，不具備自移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以安裝在掘進(jìn)設(shè)備上，也可以安裝在刮板機(jī)電纜槽上[14]。德國(guó)RAG 公司開(kāi)發(fā)了一種適用于硬巖的具有沖擊錘鉆功能的“Two Step Bolt”自鉆錨桿鉆架（圖3b），可以適應(yīng)200 MPa 的巖石，使用液態(tài)錨固藥劑且多種藥劑單獨(dú)存放，在鉆孔完成后，由注射適配器混合經(jīng)過(guò)自鉆錨桿注入到鉆孔中[15]。

圖3 自鉆式錨桿鉆架Fig.3 Self-drilling bolting frame

1.2 國(guó)內(nèi)自動(dòng)錨桿鉆架的布局型式與特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)的自動(dòng)錨桿鉆架布局型式除轉(zhuǎn)塔式、切換式、自鉆式外，還有其他型式。中鐵隧道局集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)的錨桿安裝裝置采用轉(zhuǎn)塔式[16]（圖4a），錨桿倉(cāng)存放9 根錨桿，適用于中空錨桿和砂漿錨桿的安裝。同時(shí)鉆架為了適應(yīng)隧道錨護(hù)的需要，在鉆孔工位一側(cè)設(shè)置了釬桿倉(cāng)，可以加長(zhǎng)鉆桿，鉆孔深度達(dá)5.5 m。浙江志高機(jī)械股份有限公司設(shè)計(jì)的三工位擺動(dòng)機(jī)構(gòu)[17]也采用轉(zhuǎn)塔式（圖4b），鉆孔功率20 kW，鉆孔深度3.44 m，錨桿倉(cāng)存放10 根錨桿，配有信息化監(jiān)控讀取系統(tǒng)可以監(jiān)控漿液水灰比和單孔注漿量。

圖4 國(guó)內(nèi)投入試驗(yàn)運(yùn)行鉆架Fig.4 Domestic put into test of bolting frame

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院開(kāi)發(fā)的雙鉆箱切換式錨桿鉆架[18]采用切換式（圖4c），鉆孔回轉(zhuǎn)扭矩為315 N·m，額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，適用于2.1～5.1 m中厚煤層巷道錨桿錨護(hù)。廊坊景隆重工設(shè)計(jì)的自動(dòng)鉆架[19]（圖4d）也采用切換式，鉆孔回轉(zhuǎn)扭矩300 N·m，轉(zhuǎn)速可達(dá)550 r/min，適用于B19/B22 鉆桿，成孔深度為2.23 m，其鉆孔鉆箱由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，無(wú)需另設(shè)減速裝置。

2015 年三一重型裝備有限公司山玉波等[20]發(fā)明了一種錨桿機(jī)構(gòu)（圖5a），該機(jī)構(gòu)鉆孔裝置和錨固裝置為同一套裝置，由鉆箱和推進(jìn)梁組成。推進(jìn)梁側(cè)面安裝有機(jī)械手，另一側(cè)安裝錨固劑注入裝置。鉆孔完成后，依靠機(jī)械手取下鉆桿，另一側(cè)錨固劑裝填機(jī)構(gòu)通過(guò)伸縮缸移動(dòng)至鉆桿位置。但這個(gè)鉆架在錨桿安裝時(shí)需要人工將錨桿放置到推進(jìn)鉆頭，自動(dòng)化程度不高。

圖5 國(guó)內(nèi)鉆架新方案Fig.5 Domestic new design of bolting frame

2019 年尚東森等[21]發(fā)明一種煤礦鉆錨機(jī)器人自動(dòng)鉆進(jìn)與錨固裝置（圖5b），該裝置提出了一種新的布局方式，包括錨桿庫(kù)、錨桿輸送機(jī)構(gòu)、錨桿倉(cāng)和鉆錨裝置。在鉆錨裝置兩側(cè)布置4 個(gè)機(jī)械手，完成鉆桿和錨桿的交換工作，底端連接一個(gè)液壓缸，完成鉆錨裝置的推進(jìn)作業(yè)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于增加了錨桿庫(kù)，減少了人工裝填錨桿倉(cāng)次數(shù)，自動(dòng)化程度提高。

2021 年姜鵬飛等[22]發(fā)明了一種錨桿施工裝置（圖5c），包括鉆孔、錨注和錨桿倉(cāng)多功能執(zhí)行部件，錨桿倉(cāng)固定于一側(cè)，由轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)鉆孔和錨注箱切換位置。這種裝置與國(guó)外自鉆式自動(dòng)錨桿鉆架相似，但仍有不同。相同點(diǎn)在于都是用錨桿充當(dāng)鉆桿完成鉆孔鉆取工作，不同點(diǎn)一方面增加了錨桿倉(cāng)裝置，另一方面將混流器置于錨桿內(nèi)部，因此錨固劑在錨桿中混流反應(yīng)后注入鉆孔，解決了注藥通道堵塞問(wèn)題。

1.3 國(guó)內(nèi)外自動(dòng)錨桿鉆架布局型式的對(duì)比分析

國(guó)外的3 種布局型式的自動(dòng)錨桿鉆架性能優(yōu)異，但仍有不足。轉(zhuǎn)塔式自動(dòng)錨桿鉆架使用兩個(gè)推進(jìn)梁造成鉆架質(zhì)量過(guò)大；切換式自動(dòng)錨桿鉆架在鉆孔作業(yè)結(jié)束后切換到注藥工位時(shí)，推進(jìn)梁下端鉆孔鉆箱不動(dòng)，上端夾鉗帶動(dòng)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，以此給錨固劑裝填機(jī)構(gòu)留出作業(yè)空間，使得鉆桿在此時(shí)處于偏彎狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間的使用，會(huì)造成鉆桿彎折，影響鉆孔的直線(xiàn)度；自鉆式自動(dòng)錨桿鉆架工序較少，可以節(jié)省錨桿安裝時(shí)間，但是自鉆錨桿價(jià)格昂貴，錨護(hù)成本高昂。

國(guó)內(nèi)自動(dòng)錨桿鉆架研究起步晚，已量產(chǎn)應(yīng)用的機(jī)型少，國(guó)內(nèi)外各種布局型式的自動(dòng)錨桿鉆架對(duì)比見(jiàn)表1。①在自動(dòng)化方面，國(guó)內(nèi)切換式以及其他布局型式自動(dòng)錨桿鉆架較國(guó)外有所欠缺，不具備鉆孔、注藥和錨固一體化作業(yè)能力，自動(dòng)化程度較低；②在驅(qū)動(dòng)元件數(shù)量方面，國(guó)內(nèi)的各布局型式的自動(dòng)錨桿鉆架驅(qū)動(dòng)部件數(shù)量多，較國(guó)外增加了1～2 倍，在某些功能實(shí)現(xiàn)上使用精密部件，如機(jī)械手，使得鉆架的故障率上升，不僅造成了停產(chǎn)停工，還增加了設(shè)備的使用成本。

表1 自動(dòng)錨桿鉆架布局型式統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of utomatic bolting frame layout

2 自動(dòng)錨桿鉆架結(jié)構(gòu)

自動(dòng)錨桿鉆架結(jié)構(gòu)一般由鉆孔裝置、錨固劑注入裝置、錨固裝置、錨桿倉(cāng)等部分組成。

2.1 鉆孔裝置

鉆孔裝置主要用來(lái)鉆取錨桿孔，一般由鉆孔鉆具、推進(jìn)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成。在錨孔鉆取過(guò)程中，鉆孔鉆具帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，推進(jìn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鉆孔鉆具隨導(dǎo)向機(jī)構(gòu)移動(dòng)。

2.1.1 鉆孔鉆具

目前常用的錨桿鉆孔方式有旋轉(zhuǎn)切削式[23]、沖擊式[24]。對(duì)應(yīng)鉆具有：①旋轉(zhuǎn)切削鉆箱。張林慧等[25]設(shè)計(jì)了一種適用于干式和濕式除塵的鉆箱，鉆套連接鉆桿布置于左側(cè)，擺線(xiàn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)布置于右側(cè)，通過(guò)齒輪實(shí)現(xiàn)二者之間傳動(dòng)（圖6a）；美國(guó)Fletcher（圖6b）和廊坊景隆重工（圖6c）的鉆箱相似，整體分為上下兩部分，上部分頂端連接鉆桿，側(cè)面連接管道用于除塵，下部分為驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)；②沖擊式鑿巖機(jī)。釬頭連接鉆桿，利用鑿巖機(jī)活塞快速?zèng)_擊釬尾的能量實(shí)現(xiàn)破巖鉆孔，常用于巖石硬度較高的巷道支護(hù)。Sandvik 使用自主研發(fā)的RD 系列鑿巖機(jī)（圖7a），Atlas 使用COP RR 鑿巖機(jī)（圖7b），Resemin 使用Montabert HC 鑿巖機(jī)（圖7c）。

圖6 旋轉(zhuǎn)切削鉆箱Fig.6 Rotary cutting drilling

圖7 沖擊式鑿巖機(jī)Fig.7 Impact drilling

2.1.2 推進(jìn)機(jī)構(gòu)

推進(jìn)機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)：①鉆架支撐與煤壁接觸，穩(wěn)定鉆架；②鉆具進(jìn)給。對(duì)于前者，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中一般采用液壓缸實(shí)現(xiàn)。對(duì)于后者，有多種實(shí)現(xiàn)的形式。將上述國(guó)內(nèi)外14 個(gè)自動(dòng)錨桿鉆架推進(jìn)方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖8 所示（Sandvik 有2 種推進(jìn)方式）。

圖8 推進(jìn)方式統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistical of propulsion mode

在鋼絲繩+液壓馬達(dá)的形式中（圖9），鋼絲繩撓度較差且易受腐蝕斷裂失效，這種推進(jìn)方式在Sandvik 生產(chǎn)的初代產(chǎn)品DS311 上采用，在其后續(xù)推出的升級(jí)產(chǎn)品DS411，DS511 中已棄用，使用液壓馬達(dá)+鏈條傳動(dòng)。

圖9 鋼絲繩+液壓馬達(dá)Fig.9 Wire rope + hydraulic motor

在全液壓缸的形式中（圖10），為了解決單個(gè)液壓缸推進(jìn)行程長(zhǎng)的問(wèn)題，2021 年石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司魏蒼棟[26]提出了一種伸縮式雙層滑架結(jié)構(gòu)，在推進(jìn)油缸下方設(shè)置一個(gè)補(bǔ)償油缸來(lái)增加鉆孔深度。

圖10 全液壓缸Fig.10 Hydraulic cylinder

在液壓缸+鏈條的形式中（圖11），液壓缸兩側(cè)布置鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，鏈條和液壓缸可以分別帶動(dòng)鉆頭前進(jìn)一段距離完成錨護(hù)作業(yè)，這種形式結(jié)構(gòu)緊湊，通常用于機(jī)載錨桿鉆機(jī)中，但是這種形式需要對(duì)液壓缸二次加工以滿(mǎn)足傳動(dòng)需要，產(chǎn)品平替性受到影響，損壞維修不便。

圖11 液壓缸+鏈條Fig.11 Hydraulic cylinder + chain

在液壓馬達(dá)+齒輪齒條的形式中（圖12），以液壓馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)元件，通過(guò)齒輪齒條將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，齒輪安裝在鉆箱下端，齒條在推進(jìn)梁制作時(shí)加工成形，這種形式傳動(dòng)精度高，但是效率損失大，不易保養(yǎng)磨損嚴(yán)重。

圖12 液壓馬達(dá)+齒輪齒條Fig.12 Hydraulic motor + rack and pinion

在液壓馬達(dá)+鏈條的形式中（圖13），液壓馬達(dá)使用擺線(xiàn)液壓馬達(dá)，不需要任何變速機(jī)構(gòu)，擺線(xiàn)液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)鏈條帶動(dòng)鉆箱前進(jìn)，且鏈條重量輕，控制方便。在Blote88 中，擺線(xiàn)馬達(dá)布置與推進(jìn)梁下側(cè)，需要兩塊連接板安裝在推進(jìn)梁來(lái)固定擺線(xiàn)馬達(dá)，4 個(gè)鏈輪來(lái)完成傳動(dòng)作業(yè)，而且鏈傳動(dòng)路徑從推進(jìn)梁上側(cè)到下側(cè)，需要在推進(jìn)梁上開(kāi)鑿多個(gè)孔，這種布置方式不僅增加了裝配零部件，還導(dǎo)致推進(jìn)梁的強(qiáng)度受到影響。在DS411 錨桿鉆架中，擺線(xiàn)馬達(dá)布置于推進(jìn)梁側(cè)面，與兩個(gè)鏈輪配合完成傳動(dòng)作業(yè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有 效。

圖13 液壓馬達(dá)+鏈條Fig.13 Hydraulic motor + chain

2.1.3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是推進(jìn)機(jī)構(gòu)和鉆箱的載體，需要足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在隧道等非煤礦山中，眾多錨桿設(shè)備使用鋁合金材質(zhì)推進(jìn)梁，除了重量輕且強(qiáng)度高，鋁合金推進(jìn)梁另一優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在可以按照模具拉伸出各種截面形狀（圖14），這些截面形狀的邊緣呈三角狀，在推進(jìn)時(shí)可以自動(dòng)的將鉆箱對(duì)中，保證了鉆孔的直線(xiàn)度和垂直度。

圖14 鋁合金推進(jìn)梁Fig.14 Aluminum alloy propulsion beam

在煤礦井下錨桿支護(hù)中，考慮到防爆需求，錨桿支護(hù)設(shè)備一般采用鋼材質(zhì)導(dǎo)向裝置。結(jié)構(gòu)形式有圓柱導(dǎo)向、燕尾槽導(dǎo)向和矩形槽導(dǎo)向。圓柱導(dǎo)向由兩組導(dǎo)向柱組成，每組導(dǎo)向柱包含兩根對(duì)稱(chēng)布置的導(dǎo)向柱，其中一組導(dǎo)向柱連接鉆具，一組導(dǎo)向柱連接框架組件，形成兩組移動(dòng)副[27]（圖15a）；燕尾槽導(dǎo)向由內(nèi)外燕尾形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，滑架前后端為外燕尾形，鉆具通過(guò)設(shè)有內(nèi)燕尾形的連接板安裝在滑架上，滑架通過(guò)設(shè)有內(nèi)燕尾形的壓板連接于固定支撐柱上，實(shí)現(xiàn)二者獨(dú)立移動(dòng)[28]（圖15b）；矩形導(dǎo)向是將支撐導(dǎo)軌截面加工成對(duì)稱(chēng)雙矩形狀（圖15c），鉆具和導(dǎo)軌之間設(shè)有耐磨鑄鐵滑塊，以減輕磨損[29]。

圖15 鋼結(jié)構(gòu)推進(jìn)梁Fig.15 Steel structure propulsion beam

2.2 錨固劑注入裝置

2.2.1 錨固劑注入方式

根據(jù)錨固劑注入動(dòng)力不同，錨固劑注入方式上可以分為氣動(dòng)推送、機(jī)械推送和AB 料泵送。

氣動(dòng)推送。在鉆架上布置輸送管，在車(chē)體一側(cè)設(shè)計(jì)藥卷倉(cāng)，由氣泵將錨固劑推入鉆孔。Altas 在車(chē)體一側(cè)設(shè)計(jì)有封閉式藥卷倉(cāng)（圖16a），浙江志高機(jī)械股份有限公司在車(chē)體旁設(shè)置敞口式藥卷倉(cāng)（圖16b）。這種推送方式效果易受氣源壓力影響，既要防止氣壓較小導(dǎo)致錨固劑卡留在輸送管或者無(wú)法到達(dá)孔底的情況，又要防止氣壓較大導(dǎo)致保證錨固劑受損破裂。

圖16 氣動(dòng)推送Fig.16 Pneumatic injecting

機(jī)械推送。2001 年美國(guó)Michaei Malkoski 設(shè)計(jì)發(fā)明了一種機(jī)械結(jié)構(gòu)用來(lái)推動(dòng)雙料錨固劑中的鋼絞線(xiàn)或者其他材料進(jìn)入錨孔（圖17a），該裝置設(shè)計(jì)有測(cè)量裝置，可以記錄進(jìn)入錨孔材料長(zhǎng)度[30]。2019 年中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司設(shè)計(jì)發(fā)明了推送樹(shù)脂錨固劑機(jī)構(gòu)[31]（圖17b），采用鋼絲繩索前端固定頂推環(huán)作為推送的執(zhí)行部件，在等待作業(yè)時(shí)，鋼絲繩索纏繞在柔索滾筒上，作業(yè)時(shí)，三對(duì)輸送輪在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)鋼絲繩索在塑料管道中推進(jìn)錨固劑到達(dá)鉆孔底，這一結(jié)構(gòu)對(duì)鋼絲繩索材料有較高要求，既需要有足夠的頂推力，又需要有一定的韌性。2021年陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種鏈?zhǔn)桨惭b錨固劑裝置[32]（圖17c），剛性鏈一端連接錨固劑，另一端連接外部電機(jī)輸出端。工作時(shí)，由外部電機(jī)帶動(dòng)剛性鏈伸出推動(dòng)錨固劑到達(dá)鉆孔底部，同時(shí)為了配合剛性鏈推動(dòng)需使用鋼材料的輸送管。

圖17 機(jī)械推送Fig.17 Mechanical injecting

AB 料泵送。氣動(dòng)和機(jī)械式主要用來(lái)對(duì)錨固藥卷的推送安裝，AB 料泵送式從錨固劑上創(chuàng)新變革使用液態(tài)藥劑。錨護(hù)工作前，將樹(shù)脂藥劑和催化劑分別安裝在A、B 兩個(gè)料筒中，由液壓泵輸送到注射適配器混合攪拌后注入錨孔，這種方式主要用于自鉆錨桿或中空錨桿的安裝作業(yè)（圖18），國(guó)內(nèi)中煤科工開(kāi)采研究院有限公司在這種方式上也有研究，詳見(jiàn)圖5c。

圖18 AB 料泵送系統(tǒng)Fig.18 AB Material pumping system

2.2.2 錨固劑防墜輔具

為方便自動(dòng)錨桿鉆架安裝錨固劑，眾多科研單位設(shè)計(jì)了錨固劑輔具。

2017 年郭志富等設(shè)計(jì)了多款防墜結(jié)構(gòu)，有彈力支撐式[33]（圖19a）、塑性卡阻式[34]（圖19b）和傘狀式[35]（圖19c）的樹(shù)脂錨固劑；此外還有多種防墜輔具（圖19d），其原理都是依靠輔具結(jié)構(gòu)與錨孔內(nèi)壁摩擦防墜。廊坊景隆重工設(shè)計(jì)了一個(gè)塑料套筒將錨固劑連接到錨桿前端，由錨桿將錨固劑推入，從工藝上解決了錨固劑在孔中墜落的問(wèn)題[36]。

圖19 錨固劑防墜結(jié)構(gòu)Fig.19 Anchoring agent anti-fall structure

2.3 錨固裝置

錨固裝置主要用來(lái)緊固錨桿。在該裝置上，一般包括錨箱、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、錨桿夾鉗。錨固過(guò)程中，錨箱帶動(dòng)錨桿旋轉(zhuǎn)攪拌錨固劑并擰緊錨桿，推進(jìn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)錨箱沿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)移動(dòng)。推進(jìn)機(jī)構(gòu)與鉆孔裝置推進(jìn)機(jī)構(gòu)相同，不作贅述。

2.3.1 錨 箱

錨箱有2 種類(lèi)型。一種是使用小功率的鑿巖機(jī)作為錨箱（圖7），西班牙Resemin 設(shè)計(jì)的錨桿鉆架上，錨固鉆箱使用Montabert HC 28，扭矩為480 N·m，轉(zhuǎn)速為300 r/min。Atlas 使用COP RR11 液壓鑿巖機(jī)，功率為14 kW；另一類(lèi)是使用鉆箱作為錨箱，Sandvik 針對(duì)性的設(shè)計(jì)了用于自動(dòng)錨桿鉆架上使用的多功能鉆箱RD314（圖20a），該鉆箱通過(guò)改變前端接口實(shí)現(xiàn)鉆錨功能切換，其扭矩最高達(dá)420 N·m，轉(zhuǎn)速為530 r/min；廊坊景隆重工發(fā)明了一種錨桿攪拌器[37]（圖20b），增加了一個(gè)液壓缸帶動(dòng)攪拌軸伸縮運(yùn)動(dòng)，解決了錨箱長(zhǎng)度不可調(diào)整的問(wèn)題；中煤科工開(kāi)采研究院有限公司設(shè)計(jì)了一種集鉆、注、錨于一體裝置（圖20c），通過(guò)外齒輪實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)[38]，適用于自鉆式錨桿鉆架。

圖20 錨箱Fig.20 Bolting box

2.3.2 錨桿夾鉗

錨桿夾鉗一般安裝在錨固工位推進(jìn)梁頂端，保證錨桿安裝時(shí)穩(wěn)定。

Atlas 自動(dòng)錨桿鉆架中，錨桿夾鉗由兩部分拼接組成，且兩部分各有半圓狀缺口用來(lái)放置錨桿。兩部分由左右布置的兩個(gè)液壓缸分別驅(qū)動(dòng)，依靠?jī)蓚€(gè)液壓缸的伸出和縮回實(shí)現(xiàn)錨桿夾鉗的開(kāi)合[39]（圖21a）。Joy Global Underground Mining LLC 公司發(fā)明了一種錨桿夾持機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由電動(dòng)控制，兩組螺線(xiàn)管和線(xiàn)圈內(nèi)置于凹槽側(cè)面對(duì)稱(chēng)布置，通過(guò)兩個(gè)螺線(xiàn)管的伸縮實(shí)現(xiàn)錨桿的夾緊和釋放[40]（圖21b）。Resemin公司生產(chǎn)的Small Bolter 77 自動(dòng)錨桿鉆架應(yīng)用了一種錨桿夾鉗，其設(shè)計(jì)比較精妙。它具有兩個(gè)卡爪，在與錨桿接觸部分連接半圓狀接觸片避免錨桿與夾鉗直接接觸劇烈摩擦?？ㄗΦ膭?dòng)作原理是四連桿機(jī)構(gòu)，由液壓缸的伸縮移動(dòng)帶動(dòng)卡爪開(kāi)合，并在開(kāi)合的極限位置設(shè)有限位銷(xiāo)，以此來(lái)約束卡爪開(kāi)合范圍（圖21c）。

圖21 錨桿夾鉗Fig.21 Bolt clamping mechanism

2.4 錨桿倉(cāng)

錨桿倉(cāng)在鉆架中的作用主要是批量存儲(chǔ)錨桿。此外，錨桿倉(cāng)還需要具備錨桿抓取功能，一根錨桿安裝完畢后，另一根錨桿應(yīng)及時(shí)進(jìn)入作業(yè)等待區(qū)。

2.4.1 錨桿倉(cāng)結(jié)構(gòu)

錨桿倉(cāng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)形式可以分為4 種：轉(zhuǎn)盤(pán)式、鏈條式、推移式、流水線(xiàn)供給式。

1）轉(zhuǎn)盤(pán)式。錨桿倉(cāng)中有一根中心軸，中心軸靠上和靠下位置各有一個(gè)儲(chǔ)桿盤(pán)，儲(chǔ)桿盤(pán)上開(kāi)有凹槽用來(lái)儲(chǔ)存錨桿，中心軸通過(guò)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)錨桿從等待區(qū)進(jìn)入作業(yè)區(qū)。中心軸的旋轉(zhuǎn)一般通過(guò)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)，在2020年中鐵隧道局集團(tuán)有限公司發(fā)明的一種隧道錨桿安裝設(shè)備中，其錨桿倉(cāng)（圖22a）采用伺服電機(jī)作為中心軸旋轉(zhuǎn)動(dòng)力源，當(dāng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)帶動(dòng)中心軸和儲(chǔ)桿盤(pán)旋轉(zhuǎn)一個(gè)分度，旋轉(zhuǎn)控制更為精確，但是伺服電機(jī)價(jià)格昂貴，增加了設(shè)備成本，2021 年中煤科工開(kāi)采研究院發(fā)明的轉(zhuǎn)盤(pán)式錨桿倉(cāng)中（圖22b），通過(guò)2個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)錨桿的移出動(dòng)作，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)[41]。

圖22 轉(zhuǎn)盤(pán)式錨桿倉(cāng)Fig.22 Cylinder bolt cartridge

2）鏈條式。2017 年郭志富等（圖23a）[42]和2020 年韓菲等（圖23b）設(shè)計(jì)生產(chǎn)的錨桿鉆架上使用鏈條式錨桿倉(cāng)，這種錨桿倉(cāng)通過(guò)兩條鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上下布置實(shí)現(xiàn)錨桿在錨桿倉(cāng)中的運(yùn)動(dòng)，鏈條外鏈節(jié)上帶有U 型卡或者橡膠彈簧安裝固定錨桿。兩者區(qū)別在于前者兩主動(dòng)鏈輪固定在一根主動(dòng)軸上，液壓馬達(dá)通過(guò)帶動(dòng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)上下鏈條運(yùn)動(dòng)，后者兩從動(dòng)鏈輪固定在一根軸上，液壓馬達(dá)通過(guò)帶動(dòng)上鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)從而驅(qū)動(dòng)上下鏈條運(yùn)動(dòng)。

圖23 鏈條式錨桿倉(cāng)Fig.23 Cuboid bolt cartridge

3）推移式。美國(guó)Fletcher J.H 公司設(shè)計(jì)了一種推移式錨桿倉(cāng)。該錨桿倉(cāng)設(shè)置由上、下兩個(gè)通道供錨桿移動(dòng)，且上通道短于下通道，整體輪廓呈梯形，適于頂部狹窄作業(yè)環(huán)境。偏置擺臂通過(guò)兩個(gè)螺栓固定在上通道附近，用來(lái)推動(dòng)錨桿沿著通道移動(dòng)[43]（圖24）。

圖24 推移式錨桿倉(cāng)Fig.24 Push bolt cartridge

4）流水線(xiàn)供給式。錨桿倉(cāng)中錨桿使用完后，需要人工將錨桿填滿(mǎn)錨桿倉(cāng)，這一工序在大部分錨桿鉆架中尚未解決。澳大利亞伍倫貢大學(xué)設(shè)計(jì)了集錨桿儲(chǔ)存?zhèn)}、錨桿墊片儲(chǔ)存?zhèn)}、錨桿輸送軌道、墊片安裝于一體的錨桿自動(dòng)補(bǔ)給裝置[44]，錨桿經(jīng)過(guò)輸送軌道后，墊片盒彈出一個(gè)墊片與之連接，之后再送到鉆機(jī)安裝（圖25a）。在2019 年尚東森等[21]設(shè)計(jì)的鉆錨機(jī)器人中提出了一種方案，設(shè)計(jì)有錨桿庫(kù)（圖25b）。錨桿庫(kù)采用內(nèi)置一個(gè)傾斜斜面，在傾斜斜面底端開(kāi)有出桿口，每次只允許一根錨桿通過(guò)，出桿口外有鏈條傳送機(jī)構(gòu)。當(dāng)錨桿倉(cāng)中無(wú)錨桿后，控制錨桿倉(cāng)到鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)末端，錨桿在重力作用下從出桿口滾出，通過(guò)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將錨桿運(yùn)送到錨桿倉(cāng)。

圖25 流水線(xiàn)供給式錨桿倉(cāng)Fig.25 Pipeline feed bolt cartridge

2.4.2 錨桿抓取機(jī)構(gòu)

錨桿抓取機(jī)構(gòu)用來(lái)將錨桿從錨桿倉(cāng)中取出到錨固裝置。目前多數(shù)自動(dòng)錨桿鉆架中實(shí)現(xiàn)這一功能是使用機(jī)械手。機(jī)械手需要完成的動(dòng)作有夾緊/松開(kāi)和移動(dòng)/復(fù)位，為了完成以上動(dòng)作，需要至少2 個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，同時(shí)為配合運(yùn)動(dòng)需增加傳感器和控制系統(tǒng)。國(guó)外轉(zhuǎn)塔式自動(dòng)錨桿鉆架中，采用機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這一功能（圖26）。在錨固裝置推進(jìn)梁上部和中部固定2個(gè)錨桿抓取機(jī)構(gòu)，頂端有銷(xiāo)軸連接，可以沿著推進(jìn)梁方向轉(zhuǎn)動(dòng)，側(cè)端連接復(fù)位彈簧。當(dāng)進(jìn)行錨護(hù)作業(yè)時(shí)，錨桿倉(cāng)中的錨桿移動(dòng)到錨桿抓取機(jī)構(gòu)凹槽上，通過(guò)錨護(hù)裝置旋轉(zhuǎn)將錨桿從錨桿倉(cāng)中帶出，同時(shí)在錨固裝置中起到穩(wěn)固錨桿的作用。這一機(jī)構(gòu)使得鉆架更為緊湊，減少了大量驅(qū)動(dòng)和控制部件的使用。

圖26 錨桿抓取機(jī)構(gòu)Fig.26 Bolt centralizer

3 自動(dòng)錨桿鉆架研究方向

目前國(guó)內(nèi)外自動(dòng)錨桿鉆架技術(shù)研究方興未艾，通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外自動(dòng)錨桿鉆架的研究現(xiàn)狀，結(jié)合煤炭行業(yè)現(xiàn)有錨桿支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀，自動(dòng)錨桿鉆架研究主要存在以下問(wèn)題：傳感器和驅(qū)動(dòng)元件方面，缺乏符合煤礦防爆要求的高精度傳感器、電液伺服閥和大功率伺服電機(jī)；鉆架自動(dòng)控制方面，鉆孔狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與煤巖硬度識(shí)別技術(shù)成熟度低，鉆孔位置識(shí)別、故障診斷與錨固效果評(píng)判等功能缺失；錨護(hù)材料適配性方面，晉陜蒙、魯西、兩淮等主要礦區(qū)錨護(hù)材料如鉆桿、錨桿、錨固劑等結(jié)構(gòu)參數(shù)差別較大；巷道適應(yīng)性方面，非煤礦山與煤礦之間、各煤礦礦區(qū)之間的巷道尺寸和支護(hù)工藝差別較大；錨桿支護(hù)新工藝方面，現(xiàn)有樹(shù)脂錨桿支護(hù)工序較多、平均錨固時(shí)間較長(zhǎng)；物聯(lián)網(wǎng)融合方面，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和統(tǒng)一的接入接口。針對(duì)以上問(wèn)題，提出以下自動(dòng)錨桿鉆架的未來(lái)研究方向。

1）自動(dòng)錨桿鉆架傳感器與驅(qū)動(dòng)元件研究。研發(fā)符合煤礦井下防爆要求的高精度高分辨率的位移、角度傳感器，電液比例伺服閥和大功率伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器等元部件。

2）自動(dòng)錨桿鉆架智能控制技術(shù)研究。進(jìn)行自動(dòng)錨桿鉆架煤巖硬度識(shí)別、鉆孔狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與特征識(shí)別、錨固位置識(shí)別、錨桿錨固效果即時(shí)檢測(cè)、遠(yuǎn)程交互控制和健康診斷等新技術(shù)研究。

3）自動(dòng)錨桿鉆架與鉆具適用性研究。對(duì)鉆具關(guān)鍵零部件優(yōu)化改進(jìn)：推進(jìn)梁材料優(yōu)化改進(jìn)、鉆箱優(yōu)化改進(jìn)、錨桿攪拌端優(yōu)化改進(jìn)、液壓馬達(dá)優(yōu)化改進(jìn)，通過(guò)模塊化元部件設(shè)計(jì)滿(mǎn)足錨固材料適配性需求。

4）自動(dòng)錨桿鉆架模塊化和系列化研究。針對(duì)國(guó)內(nèi)巷道尺寸規(guī)格和錨桿支護(hù)工藝需求，合理規(guī)劃自動(dòng)錨桿鉆架規(guī)格參數(shù)、型式、尺寸、基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)自動(dòng)錨桿鉆架模塊化和系列化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不同規(guī)格巷道錨桿支護(hù)需求。

5）錨桿支護(hù)新工藝研究。目前國(guó)內(nèi)自動(dòng)錨桿鉆架沿用人工錨護(hù)工藝工序，國(guó)外“One Step Bolt”和“Two Step Bolt”錨護(hù)工藝已成熟應(yīng)用，針對(duì)國(guó)內(nèi)煤礦巷道支護(hù)需求，開(kāi)展巷道高壓錨注-噴漿協(xié)同支護(hù)等支護(hù)新工藝研究。

6）自動(dòng)錨桿鉆架與5G+物聯(lián)網(wǎng)融合技術(shù)研究。開(kāi)展自動(dòng)錨桿鉆架5G+物聯(lián)網(wǎng)融合技術(shù)研究，提高鉆-注-錨各個(gè)環(huán)節(jié)裝置性能，實(shí)現(xiàn)協(xié)同一體化作業(yè)，達(dá)到無(wú)人化快速錨桿支護(hù)目標(biāo)。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）分類(lèi)歸納了國(guó)外轉(zhuǎn)塔式、切換式、自鉆式3 種自動(dòng)錨桿鉆架的布局型式和特點(diǎn)，總結(jié)了我國(guó)自動(dòng)錨桿鉆架的布局型式和性能參數(shù)，指出了現(xiàn)階段我國(guó)自動(dòng)錨桿鉆架自動(dòng)化程度較低和驅(qū)動(dòng)元件數(shù)量較多的現(xiàn)狀。

2）梳理了自動(dòng)錨桿鉆架組成部分鉆孔裝置、錨固劑裝填裝置、錨固裝置和錨桿倉(cāng)四個(gè)裝置不同的實(shí)現(xiàn)方式，并具體闡述了各種實(shí)現(xiàn)方式的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

3）分析了煤炭行業(yè)自動(dòng)錨桿鉆架研究現(xiàn)狀，歸納了自動(dòng)錨桿鉆架在傳感器和驅(qū)動(dòng)元件、自動(dòng)控制、錨護(hù)材料適配性、巷道適應(yīng)性等方面存在的問(wèn)題，提出了6 個(gè)自動(dòng)錨桿鉆架重點(diǎn)研究方向。