錨桿鉆機(jī)專利分析

摘 要：【目的】明確錨桿鉆機(jī)的分類體系，并基于該分類體系對(duì)當(dāng)前高頻核心專利演進(jìn)路線進(jìn)行分析，以期獲得基于錨桿鉆機(jī)的分類體系下的技術(shù)發(fā)展路線。【方法】利用CNABS、CNTXT、DWPI、SIPOABS和ENTXT專利數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)錨桿鉆機(jī)近年來相關(guān)專利進(jìn)行數(shù)據(jù)分析?！窘Y(jié)果】歐美國(guó)家相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展早，專利布局意識(shí)強(qiáng)。國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)有一定的進(jìn)展。【結(jié)論】我國(guó)企業(yè)應(yīng)盡快完善相關(guān)技術(shù)研發(fā)和專利布局。

關(guān)鍵詞：錨桿鉆機(jī)；分析；核心專利；演進(jìn)

中圖分類號(hào)：G306；TD350" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：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(hù)通過埋設(shè)在地層中的錨桿，將待支護(hù)體與圍巖通過懸吊作用緊密地連接為一個(gè)整體，依賴圍巖的抗剪強(qiáng)度傳遞結(jié)構(gòu)物的拉力改善圍巖體的力學(xué)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(qiáng)度穩(wěn)定性、保持施工巷道/隧道斷面形狀的作用。然而其施工質(zhì)量和速度主要取決于施工機(jī)具的性能和穩(wěn)定性。在錨桿支護(hù)過程中，首先面臨的即是錨桿孔的鉆進(jìn)問題。錨桿鉆機(jī)（Anchor Drilling Rigs）作為錨桿支護(hù)施工中錨桿鉆孔的施工設(shè)備，廣泛應(yīng)用于巷道/隧道斷面的支護(hù)、邊坡穩(wěn)定性控制、深基坑工程等工程領(lǐng)域。錨桿支護(hù)的施工速度和支護(hù)質(zhì)量的好壞很大程度上取決于錨桿鉆機(jī)的性能。錨桿鉆機(jī)技術(shù)設(shè)備的發(fā)展已經(jīng)是影響錨桿支護(hù)施工速度、質(zhì)量、效率的關(guān)鍵因素之一［1-2］。

1 錨桿鉆機(jī)的分類

20世紀(jì)40年代，國(guó)外開始錨桿鉆機(jī)的研制，經(jīng)過80余年的研究與攻關(guān)，錨桿鉆機(jī)的功能、形態(tài)、性能、安全可靠性等不斷提高，自動(dòng)化、機(jī)械化、智能化程度不斷發(fā)展。在此期間，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了不同形式不同規(guī)格的錨桿鉆機(jī)。按結(jié)構(gòu)形式分為：鉆車式、機(jī)載式和單體式錨桿鉆機(jī)。鉆車式錨桿鉆機(jī)自帶行走機(jī)構(gòu)。機(jī)載式錨桿鉆機(jī)為安裝在掘進(jìn)機(jī)、連續(xù)采煤機(jī)、裝載機(jī)等采掘設(shè)備上的錨桿鉆機(jī)，通常由液壓回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成。單體式錨桿鉆機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈活的特點(diǎn)，按動(dòng)力來源分為氣動(dòng)式、液壓式和電動(dòng)式。氣動(dòng)式錨桿鉆機(jī)是以壓縮空氣為動(dòng)力的錨桿鉆機(jī)，又稱鑿巖機(jī)。該類鉆機(jī)鉆孔速度快，適合中硬巖層，且其動(dòng)力單一，質(zhì)量較輕，操作簡(jiǎn)單，比較適合單人操作；其缺點(diǎn)為噪聲大、工人施工環(huán)境差，氣壓低時(shí)沖擊效率低等。液壓式錨桿鉆機(jī)現(xiàn)多通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鉆桿鉆頭旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)切削破巖，這種驅(qū)動(dòng)方式能夠避免齒輪傳動(dòng)帶來的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障多等問題，其多為低速轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過自帶的液壓泵站為其提供液壓動(dòng)力。電動(dòng)式錨桿鉆機(jī)是一種采用專用防爆電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆頭鉆桿切削破巖的錨桿鉆機(jī)，其在煤礦中應(yīng)用時(shí)只能采用專用防爆電機(jī)。電動(dòng)鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為動(dòng)力單一，不需要能量轉(zhuǎn)換，能量效率高；缺點(diǎn)為電機(jī)的功率較小，施工主要受電機(jī)的重量限制，且其電機(jī)對(duì)防水防塵防爆性能的要求較高。按破巖方式可分為：回轉(zhuǎn)式、沖擊式和沖擊回轉(zhuǎn)式?；剞D(zhuǎn)式鉆機(jī)是由動(dòng)力裝置帶動(dòng)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)有鉆頭的鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，由鉆頭切削破巖；沖擊式鉆機(jī)是由沖擊動(dòng)力裝置帶動(dòng)鉆機(jī)來回破巖；沖擊回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)則采用沖擊式旋轉(zhuǎn)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(jí)或多級(jí)缸筒支撐推進(jìn)的錨桿鉆機(jī)；手持式為手動(dòng)帶動(dòng)推進(jìn)的錨桿鉆機(jī)［3-4］。

2 專利數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)源與關(guān)鍵詞

本文的數(shù)據(jù)來源于CNABS中文摘要數(shù)據(jù)庫(kù)、CNTXT中文全文數(shù)據(jù)庫(kù)、DWPI和SIPOABS英文摘要數(shù)據(jù)庫(kù)以及ENTXT英文全文數(shù)據(jù)庫(kù)。檢索關(guān)鍵詞為：錨桿、錨固、鉆機(jī)、車、打眼，打孔、鉆孔、鉆進(jìn)、bolt+，anchor+，drill+、rig？ 、truck？、jumbo？、car、carriage。選取的分類號(hào)為E21C35/， E21D/20。采用上述檢索要素得到的專利申請(qǐng)經(jīng)過降噪和篩選后構(gòu)成本文待分析的專利數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 專利數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析

2.2.1 核心專利統(tǒng)計(jì)。專利的被引用頻次是其所記載的相關(guān)技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域是否處于核心地位的重要考量，而同族專利申請(qǐng)數(shù)量的多少則代表申請(qǐng)人在國(guó)際專利上的布局，常常體現(xiàn)出其在市場(chǎng)中的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，本文根據(jù)所篩選數(shù)據(jù)庫(kù)中專利文獻(xiàn)的被引頻次數(shù)和同族專利數(shù)對(duì)本領(lǐng)域的專利申請(qǐng)進(jìn)行篩選，并按照被引頻次依序列舉出10篇核心專利申請(qǐng)進(jìn)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(yè)機(jī)械制造廠商如美國(guó)的英格索蘭（Ingersoll Rand）、久益（Joy），瑞典的阿特拉斯（atlas），法國(guó)的艾姆克（EMKA），奧地利的奧鋼聯(lián)（voestalpine）等工業(yè)集團(tuán)。這主要得益于歐美較早開始進(jìn)行系統(tǒng)性的錨桿圍巖支護(hù)體系的研究。例如，早在20世紀(jì)50年代，美國(guó)、瑞典等西方國(guó)家就已開始使用支腿式氣動(dòng)錨機(jī)進(jìn)行錨固鉆孔，與此同時(shí)也開展了機(jī)載式錨桿鉆車研發(fā)［5］。20世紀(jì)70年代，隨著錨固支護(hù)方式逐漸應(yīng)用于煤礦巷道大斷面的施工情況，美國(guó)英格索蘭、瑞典阿特拉斯等企業(yè)采用功能多、機(jī)械化程度高的液壓臺(tái)式錨桿鉆裝一體化設(shè)備。其不但能進(jìn)行錨固鉆孔施工，還能進(jìn)行錨桿的安裝，施工效率進(jìn)一步提高。我國(guó)錨桿鉆機(jī)技術(shù)起步較晚，自20世紀(jì)90年代以后，隨著錨固支護(hù)方式在我國(guó)的大力推廣，才開始進(jìn)行錨固鉆機(jī)的引進(jìn)和研發(fā)。表1中的煤炭科學(xué)研究總院及其下屬的山西天地煤機(jī)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(jī)研發(fā)中取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，基本滿足了我國(guó)各類巷道錨固支護(hù)的需求。此外，就同族專利在各國(guó)的布局而言，上述歐美企業(yè)的核心專利基本在重要國(guó)家都有所布局，專利布局意識(shí)較我國(guó)明顯更強(qiáng)，我國(guó)在專利保護(hù)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(qǐng)以前的錨桿鉆機(jī)鉆眼鉆進(jìn)過程中，采用人為扶正導(dǎo)向的方式。這種操作方式必然會(huì)造成鉆進(jìn)的錨桿鉆眼產(chǎn)生一定的偏移。該專利是英格索蘭公司早期申請(qǐng)的一種錨桿鉆機(jī)的平衡導(dǎo)向裝置，是為了解決以往人力打鉆時(shí)，錨桿在鉆進(jìn)的過程中不能有效導(dǎo)向的技術(shù)問題。其包括安裝在鉆架10上的鉆進(jìn)頭部12，鉆進(jìn)頭部12上安裝鉆桿支撐裝置14，鉆桿支撐裝置14的兩側(cè)上安裝可以在鉆架上滑動(dòng)的滑架16，鉆桿支撐裝置14上安裝液壓旋轉(zhuǎn)馬達(dá)20、22，通過限定的框架與滑架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆桿鉆眼過程的自動(dòng)扶正（見圖1）。

②AT118889是奧地利奧鋼聯(lián)公司于1991年提出的，該項(xiàng)申請(qǐng)首次提出了將錨桿鉆機(jī)安裝于采煤機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)了采、錨一體化施工的目的。本申請(qǐng)包括連采機(jī)2，錨桿鉆機(jī)15，連采機(jī)2上設(shè)置有滑桿16、17，連采機(jī)2通過滑桿16、17與錨桿鉆機(jī)15的上下端連接，通過滑桿16、17的拉動(dòng)實(shí)現(xiàn)錨桿鉆機(jī)15在豎直方向上的回轉(zhuǎn)，從而施工不同方位的鉆眼。雖然在該專利申請(qǐng)之前已經(jīng)有發(fā)明構(gòu)思將錨桿鉆機(jī)安裝于掘進(jìn)機(jī)上，如US3813126、US4098538，但該發(fā)明將錨桿鉆機(jī)設(shè)置于采煤機(jī)上從而實(shí)現(xiàn)采錨一體化的構(gòu)思仍然將機(jī)載式錨桿鉆機(jī)的發(fā)展向前推進(jìn)了一大步（見圖2）。

③隨著我國(guó)在煤礦行業(yè)的大力發(fā)展，錨桿鉆機(jī)的研制也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在一定程度上打破了英美等國(guó)對(duì)該領(lǐng)域的壟斷，填補(bǔ)了我國(guó)在錨桿鉆車領(lǐng)域的空白。CN1584292是煤炭科學(xué)研究院太原分院研制的一種履帶式錨桿鉆車，其是一種機(jī)載式錨桿鉆車。由于錨桿鉆眼是在井下的惡劣環(huán)境中進(jìn)行的，因此對(duì)整個(gè)電器件都作了防爆處理。該錨桿鉆機(jī)包括機(jī)座1、行走機(jī)構(gòu)2、工作臺(tái)3、鉆架組件7、滑軌組件8、支護(hù)組件9及升降機(jī)構(gòu)，構(gòu)成了一個(gè)完整機(jī)型。整機(jī)采用液壓傳動(dòng)，自動(dòng)除塵、自動(dòng)卷電纜、履帶式行走，液壓缸支配升降機(jī)構(gòu)升降，在采掘巷道可自如移動(dòng)、升降、多臂錨桿鉆孔作業(yè)，使錨桿鉆孔及支護(hù)完全自動(dòng)化。該鉆車適合我國(guó)煤礦井下地質(zhì)條件，電器元件采用防爆設(shè)計(jì)，升降及行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，機(jī)械智能化程度很高，適用于我國(guó)復(fù)雜地質(zhì)條件下的錨鉆支護(hù)工作（見圖3）。

3 專利技術(shù)發(fā)展演進(jìn)

通過對(duì)全球及國(guó)內(nèi)錨桿鉆機(jī)相關(guān)的專利和技術(shù)脈絡(luò)進(jìn)行分析和梳理，得到了該領(lǐng)域的專利技術(shù)演進(jìn)路線。錨桿鉆機(jī)的專利技術(shù)演進(jìn)路線如圖4所示。

自20世紀(jì)50年代第一臺(tái)錨桿鉆機(jī)在美國(guó)誕生以來，歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，錨桿鉆機(jī)的發(fā)展日新月異。由澳柑鉆機(jī)錨桿鉆機(jī)專利發(fā)展演進(jìn)路線可知：

在結(jié)構(gòu)形式方面，加德納公司早在1964年便研發(fā)出了采用履帶作為行走結(jié)構(gòu)的鉆車式錨桿鉆機(jī)US3117756，其后BUMUELLER將行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為更方便的輪轂式結(jié)構(gòu)US3823902。再將其延伸到機(jī)載方面，美國(guó)BENDIX公司于1972年首次嘗試將錨桿鉆機(jī)安裝于掘進(jìn)機(jī)上，實(shí)現(xiàn)鉆錨與掘進(jìn)的一體化；1991年奧地利奧鋼聯(lián)公司則首次將其安裝于連采機(jī)上AT118889，實(shí)現(xiàn)采煤與鉆錨的一體化；隨著錨桿鉆機(jī)技術(shù)在中國(guó)的快速發(fā)展，中國(guó)申請(qǐng)人對(duì)錨桿鉆機(jī)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，開始將多臺(tái)鉆機(jī)安裝于掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)其自由旋轉(zhuǎn)CN2561910。在動(dòng)力來源方面，美國(guó)久益公司研發(fā)和生產(chǎn)的支腿式氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)在該領(lǐng)域解決了不同的技術(shù)問題，于2004年申請(qǐng)的US2004/0118578式氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)解決了多層頂板同時(shí)鉆孔錨固的問題。在液壓鉆機(jī)方面，澳大利亞研發(fā)了POBAM型，US4068728。通過檢索發(fā)現(xiàn)，專利中有關(guān)破巖方式以及操作方式的數(shù)量較少。在破巖方式方面，比較有代表性的是中國(guó)的專利CN272376Y，采用活塞式?jīng)_擊動(dòng)力源的沖擊旋轉(zhuǎn)雙重動(dòng)力；還有卡德彼勒公司提出的以旋轉(zhuǎn)為主、沖擊為輔的混合動(dòng)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(jī)的基礎(chǔ)上提出的自動(dòng)平衡導(dǎo)向裝置US5449047。

4 結(jié)語

本文對(duì)錨桿鉆機(jī)領(lǐng)域的重要分類進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)外專利進(jìn)行了整理和分析，其中重點(diǎn)分析了錨桿鉆機(jī)領(lǐng)域的部分核心專利及其基于分類體系下的技術(shù)演進(jìn)路線。早在1970年以前，國(guó)際上便出現(xiàn)了錨桿鉆機(jī)的專利申請(qǐng)，經(jīng)過多年的發(fā)展，相關(guān)領(lǐng)域的核心技術(shù)仍然掌握在少數(shù)巖土行業(yè)巨頭手中。目前，我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)人較為分散，距離歐美相關(guān)行業(yè)巨頭仍有不小差距。同時(shí)，專利申請(qǐng)的主要方向開始向多功能、集成化的機(jī)載式錨桿鉆車發(fā)展。

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