闞志濤

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)由于施工成本低、工程簡單等優(yōu)勢，得到比較普遍的應(yīng)用，該技術(shù)的關(guān)鍵是預(yù)裂爆破技術(shù)[1-6]。而預(yù)裂爆破技術(shù)中需要施工大量的爆破孔，由此可見鉆機(jī)的成孔質(zhì)量和施工效率將直接影響預(yù)裂爆破技術(shù)的施工進(jìn)度及切縫質(zhì)量，進(jìn)而影響煤炭的開采速度。

目前我國煤礦用于預(yù)裂爆破孔施工的鉆機(jī)主要包括氣動架柱式鉆機(jī)和常規(guī)分體液壓鉆機(jī)[7-10]。氣動架柱式鉆機(jī)操作簡單、移動靈活、成本低，但扭矩、給進(jìn)力小，鉆孔施工效率低；常規(guī)分體液壓鉆機(jī)主要用于瓦斯鉆孔施工，經(jīng)過改造具有頂板鉆孔施工能力，但主機(jī)、泵站質(zhì)量大，井下搬遷困難，工人勞動強(qiáng)度大，且不能很好地滿足預(yù)裂爆破孔的個性化需求。針對這一情況，國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行相關(guān)研究[11-12]。在前人研究的基礎(chǔ)上，研制了一款礦用分體式雙臂切縫鉆機(jī)，鉆機(jī)具有體積小、移動靈活、巷道適應(yīng)性強(qiáng)、施工效率高等優(yōu)點。

1 鉆機(jī)的總體設(shè)計和主要性能參數(shù)

礦用分體式雙臂切縫鉆機(jī)采用履帶分體式布局，由鉆車與泵車2部分組成，寬度均設(shè)置為1 m，井下移動快捷，現(xiàn)場布置靈活；鉆機(jī)具有2個工作臂，可實現(xiàn)主軸傾角-90°～+25°，垂直360°仰俯角全斷面鉆孔作業(yè)，且2個工作臂前后間距可在3.4～4 m的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，側(cè)向間距可在0～0.3 m的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，滿足不同鉆孔布置要求[13-15]。

鉆車主要由左工作臂、右工作臂、鉆車行走操作臺、右工作操作臺、右姿態(tài)調(diào)整操作臺、車體穩(wěn)固操作臺、左姿態(tài)調(diào)整操作臺、鉆車履帶車體及左工作操作臺組成。左、右工作臂是主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由回轉(zhuǎn)器、給進(jìn)裝置、夾持器及變幅機(jī)構(gòu)等組成。鉆車行走操作臺、右工作操作臺及左工作操作臺的主要部件均為液壓先導(dǎo)控制閥，從而實現(xiàn)對鉆車履帶行走、回轉(zhuǎn)器及給進(jìn)/起拔油缸主閥的先導(dǎo)控制。先導(dǎo)控制技術(shù)是液壓控制技術(shù)的主要組成部分，原理是用較小的手動操作產(chǎn)生控制信號對較大的功率主閥芯進(jìn)行控制，具有占用空間小、控制精確、操作簡便等優(yōu)點[16]。右姿態(tài)調(diào)整操作臺、車體支撐操作臺及左姿態(tài)調(diào)整操作臺的控制閥選用國際知名品牌產(chǎn)品，性能穩(wěn)定、可靠。鉆車結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1鉆車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of drilling rig

泵車主要由泵車履帶車體、油箱、電機(jī)泵組、機(jī)車燈、電磁啟動器等部件組成。電機(jī)泵組包括75 kW隔爆型三相異步電動機(jī)、液壓泵組、泵座及彈性聯(lián)軸器等，主要作用是從油箱吸油并排出高壓油。其中液壓泵組由4個軸向柱塞泵串聯(lián)構(gòu)成，排量分別為100、45、45、28 mL/r。工作過程中，為了防止液壓泵組由于振動發(fā)生斷軸情況，在第3聯(lián)液壓泵下方增加了彈性輔助支撐。油箱主要包括箱體、吸油過濾器、回油過濾器、空氣濾清器、液位液溫計及放油口等組成，具有儲油、散熱、分離油液氣泡等作用。油箱的設(shè)計容量一般可取最大流量的2～3倍，其中最大流量是指各泵流量總和，考慮產(chǎn)品類型、工況、液壓回路控制系統(tǒng)、布置空間等因素，設(shè)計選取油箱容量為650 L。機(jī)車燈選用DGE系列礦用隔爆型LED燈，具有使用壽命長、工作電壓低、能耗小、發(fā)光效率高等特點。電磁起動器主要作用是起動或停止電動機(jī)，具有漏電閉鎖、過載、短路、欠壓等保護(hù)功能，并可實時顯示主回路電流、電壓及故障信息。泵車結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 泵車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of pump truck

鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)采用開式系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、液壓油冷卻條件好。Ⅰ泵為負(fù)載敏感泵，額定壓力設(shè)定為10 MPa，用于控制2個液壓水泵的輸出流量、壓力，同時回路中與具有閥后補(bǔ)償特性的負(fù)載敏感閥組成負(fù)載敏感系統(tǒng)，節(jié)能效果顯著；Ⅱ泵及Ⅲ泵均為軸向柱塞變量泵，額定壓力均設(shè)定為23 MPa，用于控制鉆車履帶行走、泵車履帶行走、工作臂的姿態(tài)調(diào)整、回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)、給進(jìn)裝置的動作及鉆車履帶車體內(nèi)支撐油缸的伸出、縮回，同時為先導(dǎo)控制閥供油；Ⅳ泵為軸向柱塞變量泵，用于控制夾持器、回轉(zhuǎn)器內(nèi)液壓卡盤的夾緊、松開，Ⅳ泵的排量為28 mL/r，額定壓力設(shè)定為10 MPa，既能彌補(bǔ)液壓卡盤泄漏量又可保證對鉆具足夠的夾緊力。

礦用分體式雙臂切縫鉆機(jī)的主要性能參數(shù)如下：①工作臂數(shù)量：2；②額定轉(zhuǎn)矩：1 000～280 N·m；③額定轉(zhuǎn)速：90～280 r/m in；④最大給進(jìn)/起拔力：45 kN；⑤給進(jìn)/起拔行程：1 200 mm；⑥前后鉆孔間距：3.4～4 m；⑦側(cè)向鉆孔間距：0～300 mm；⑧前后傾角：－90°～＋25°；⑨垂直仰俯角：360°；⑩水平方位角：360°；電機(jī)功率：75 kW鉆車外形尺寸（長×寬×高）：4 400 mm×1 000 mm×2 800 mm泵車外形尺寸（長×寬×高）：2 900 mm×1 000 mm×1 800 mm。

2 鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 窄體多工作臂鉆車穩(wěn)定性

為了使鉆車在設(shè)置帶式輸送機(jī)的巷道內(nèi)靈活移動，鉆車寬度應(yīng)盡可能窄；為了提高鉆孔施工效率，與常規(guī)鉆機(jī)相比應(yīng)增加工作臂的數(shù)量，窄體、多工作臂鉆車工作過程中的穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮的重點。

首先，鉆車履帶車體底盤選用無輪摩擦式履帶底盤，通過性好、承載力大、高度低；車體平臺四角布置支撐油缸，保證履帶車體在凹凸不平的巷道中施工過程中的穩(wěn)定，并且支撐油缸的安裝位置可調(diào)整至車體平臺側(cè)面，增強(qiáng)巷道適應(yīng)性。鉆車履帶車體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。

圖3 鉆車履帶車體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of crawler body

其次，左、右工作臂在鉆車履帶車體上采用對稱式布局，整車重心位于車體內(nèi)部。

最后，在給進(jìn)裝置上增加了液壓式上頂機(jī)構(gòu)和下頂機(jī)構(gòu)，工作時上頂機(jī)構(gòu)和下頂機(jī)構(gòu)牢牢固定在巷道的頂板和底板上，保證給進(jìn)裝置施工的穩(wěn)定。

2.2 多工作臂獨立工作下的功率匹配

鉆機(jī)液壓系統(tǒng)采用4個液壓泵串聯(lián)的形式為系統(tǒng)供油，其中Ⅱ泵及Ⅲ泵負(fù)責(zé)左、右工作臂回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)、給進(jìn)裝置的給進(jìn)/起拔?？刂七^程中，采用帶閥后補(bǔ)償?shù)呢?fù)載敏感閥進(jìn)行流量、壓力分配。帶閥后補(bǔ)償?shù)呢?fù)載敏感閥的優(yōu)點是流量分配與負(fù)載壓力無關(guān)，從而保證各個動作的獨立，互不影響。此外，為了避免出現(xiàn)2個工作臂同時工作時功率之和大于電動機(jī)功率的現(xiàn)象，設(shè)置了交叉恒功率控制回路。

2.3 短機(jī)身及大行程給進(jìn)裝置

給進(jìn)裝置常見的結(jié)構(gòu)形式包括單油缸、油缸鏈條、液壓馬達(dá)鏈條等。而礦用分體式雙臂切縫鉆機(jī)的給進(jìn)裝置設(shè)計時需要考慮的因素如下：①受巷道高度的影響，機(jī)身長度受到限制；②給進(jìn)行程應(yīng)盡量大，以減少加卸鉆具次數(shù)，縮短輔助時間，提高工作效率；③結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)靈活，剛度、強(qiáng)度符合設(shè)計要求。

綜合以上因素，給進(jìn)裝置的設(shè)計采用了雙桿雙作用油缸加雙鏈條的形式，與以往滑輪與油缸分離的油缸鏈條給進(jìn)裝置相比，將滑輪固定在油缸兩側(cè)，與油缸一起運動，進(jìn)一步縮短了給進(jìn)裝置的整體長度[17-18]。給進(jìn)裝置主要包括焊接機(jī)身、雙桿雙作用油缸、滑輪、鏈條、下頂油缸、托板及下頂機(jī)構(gòu)，其中，雙桿雙作用油缸的主要技術(shù)參數(shù)如下：①缸徑：φ100 mm；②桿徑：φ55 mm；③行程：600 mm；④工作壓力：18 MPa。進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。

圖4 進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural diagram of feeding device

2.4 多方位及大角度變幅機(jī)構(gòu)

為提高鉆機(jī)的適用性，鉆機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計了多個自由度，實現(xiàn)多方位、大角度的范圍調(diào)節(jié)。變幅機(jī)構(gòu)主要包括調(diào)角裝置、側(cè)移裝置、擺動裝置、輔助支撐、側(cè)移油缸、伸縮裝置及伸縮油缸，其中伸縮油缸可使2個工作臂的鉆孔間距在3.4～4 m的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，調(diào)角裝置可使主軸前后傾角在-90°～+25°的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，側(cè)移油缸可使工作臂側(cè)向移動300 mm，側(cè)移裝置中的回轉(zhuǎn)減速器可使主軸在0°～360°的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。變幅機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5。

圖5 變幅機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagram of luffing mechanism

2.5 回轉(zhuǎn)器防水和倒水設(shè)計

回轉(zhuǎn)器由液壓馬達(dá)、齒輪減速箱和卡盤組成。與常規(guī)回轉(zhuǎn)器液壓馬達(dá)置于齒輪減速箱后端相比，礦用分體式雙臂切縫鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)器液壓馬達(dá)置于齒輪減速箱前端，整體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，有效減小了回轉(zhuǎn)器運動的空間范圍。此外，在卡盤前端設(shè)置了防水罩，齒輪減速箱主軸后端設(shè)置倒水盤，從而有效地防止了施工過程中孔內(nèi)反水及鉆渣進(jìn)入齒輪減速箱，污染液壓系統(tǒng)。

3 鉆機(jī)型式試驗

礦用分體式雙臂切縫鉆機(jī)加工、裝配及調(diào)試完成后在國家安全生產(chǎn)西安鉆機(jī)檢測檢驗中心的鉆機(jī)性能試驗臺上進(jìn)行了負(fù)載運轉(zhuǎn)性能測試，左工作臂回轉(zhuǎn)器和右工作臂回轉(zhuǎn)器在高速檔、低速擋負(fù)載運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后的測量數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 左工作臂回轉(zhuǎn)器負(fù)載運轉(zhuǎn)測量數(shù)據(jù)Table 1 Load operation measurement data of gyratore in left arm

表2 右工作臂回轉(zhuǎn)器負(fù)載性能測量數(shù)據(jù)Table 2 Load operation measurement data of gyratore in right arm

從表1、表2中可以看出，左工作臂回轉(zhuǎn)器在高速擋運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)速大于290 r/min，對應(yīng)扭矩大于280 N·m，在低速擋運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)速大100 r/min，對應(yīng)扭矩大于1 000 N·m；右工作臂回轉(zhuǎn)器在高速擋運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)速大于290 r/min，對應(yīng)扭矩大于300 N·m，在低速擋運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)速大于90 r/min，對應(yīng)扭矩大于1 000 N·m。數(shù)據(jù)表明左工作臂回轉(zhuǎn)器和右工作臂回轉(zhuǎn)器負(fù)載運轉(zhuǎn)性能測試的轉(zhuǎn)速、扭矩均滿足設(shè)計要求。

此外，鉆機(jī)還依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 790—2006煤礦坑道勘探用鉆機(jī)[19]進(jìn)行了空載運轉(zhuǎn)性能、過載性能、溫升及噪聲等多項測試，各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語

礦用分體式雙臂切縫鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，體積小、移動靈活，滿足煤礦井下預(yù)裂爆破孔的施工要求；對鉆機(jī)穩(wěn)定性、功率匹配、回轉(zhuǎn)器、給進(jìn)裝置及變幅機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，增強(qiáng)了鉆機(jī)的巷道適應(yīng)性，提高了機(jī)械結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性；鉆機(jī)的各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的安全高效施工提供了可靠的裝備保障。