李旺年

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

近年來，隨著掘進(jìn)裝備的不斷發(fā)展和錨桿支護(hù)技術(shù)的推廣應(yīng)用，快速掘錨技術(shù)已成為建設(shè)高產(chǎn)高效礦井的關(guān)鍵。根據(jù)巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件，我國的煤巷開拓形成了以掘進(jìn)機為主的3種機械化快速掘進(jìn)工藝[1-5]：①懸臂式掘進(jìn)機與單體錨桿鉆機配套作業(yè)，機械化錨護(hù)程度低，工人勞動強度大，施工安全性差，效率低；②連續(xù)采煤機與錨桿鉆車配套作業(yè)，掘錨交叉施工，效率高，但因空頂距大，對巷道地質(zhì)條件要求也較高；③掘錨一體化同步作業(yè)，由同一臺設(shè)備完成掘進(jìn)和錨護(hù)施工，減少了掘錨交叉換位的時間，掘進(jìn)效率顯著提高，月進(jìn)尺可達(dá)到1 200 m。

目前，掘錨一體機已在綜采準(zhǔn)備巷道掘進(jìn)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[6-8]，但由于掘錨一體機自帶的側(cè)幫錨桿鉆機僅能在400 mm范圍內(nèi)上下滑動，對于地質(zhì)條件較好的巷道，側(cè)幫錨桿鉆機可以完成側(cè)幫3排支護(hù)錨桿中的上面2排，下面1排由人工補打完成，對于地質(zhì)條件較差的巷道，側(cè)幫錨桿鉆機僅能完成側(cè)幫4排支護(hù)錨桿中的中間2排，上下2排錨桿均由人工補打完成。由于掘錨機最大采高4.2 m，人工補打巷道兩幫上排錨桿時，掘錨機頂部平臺距巷道頂板的最大高度僅有1 m左右的空間，人工施工較為困難，作業(yè)環(huán)境差，施工勞動強度大。為此，根據(jù)市場需求研制了一款為掘錨一體機配套用MJZ-400/300E型煤礦用機載錨桿鉆機（以下簡稱鉆機），不僅可以完成巷道兩幫幫錨桿支護(hù)作業(yè)，也可以完成掘進(jìn)工作面區(qū)域驗證孔和煤層注水孔施工。

1 鉆機的總體設(shè)計

鉆機作為選配功能部件與掘錨一體機結(jié)合在一起[9-10]，由于巷道空間限制，鉆機設(shè)計采用了2級給進(jìn)裝置，當(dāng)掘錨一體機工作時，鉆機給進(jìn)裝置收回，減少整機空間尺寸，避免對掘錨一體機施工產(chǎn)生影響；同時通過2級給進(jìn)裝置可減少加、卸鉆桿等工序的輔助操作時間，實現(xiàn)錨桿支護(hù)快速施工。根據(jù)錨桿支護(hù)工藝特點和煤層注水施工的要求，設(shè)計的機載錨桿鉆機具有以下特點：

1）鉆機可以直接安裝在本體設(shè)備上進(jìn)行施工，且不影響本體設(shè)備的正常使用。

2）在實現(xiàn)巷道兩幫錨桿支護(hù)和煤層注水施工的前提下，高度尺寸能夠滿足鉆機在掘錨一體機工作時不與頂板碰撞。

3）一次作業(yè)循環(huán)可以完成巷道兩幫上排錨桿支護(hù)，且能對鉆孔高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，還可以完成掘進(jìn)工作面煤層注水孔的施工。

4）液壓系統(tǒng)可以融合到原有的液壓系統(tǒng)中，所用液壓閥塊均采用原廠器件，而不增加新的動力源。

鉆機主要由夾持器、給進(jìn)裝置、回轉(zhuǎn)器和調(diào)角裝置等部分組成。鉆機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 鉆機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The drilling rig structural diagram

鉆機結(jié)構(gòu)簡單可靠，與掘錨一體機配套適應(yīng)性強，便于井下進(jìn)行安裝、拆卸、維修和保養(yǎng)。鉆機的主要性能參數(shù)如下：①回轉(zhuǎn)器：額定轉(zhuǎn)矩400 N·m，額定轉(zhuǎn)速300 r/min；②給進(jìn)裝置：給進(jìn)力20 kN，起拔力10 kN，一級給進(jìn)行程1 300 mm，二級給進(jìn)行程1 100 mm；③調(diào)角裝置：方位角±90°，傾角0°～10°；④整機外形尺寸：2.3 m×0.4 m×0.55 m。

2 鉆機關(guān)鍵技術(shù)

2.1 非對稱結(jié)構(gòu)給進(jìn)裝置

給進(jìn)機構(gòu)是鉆機的主要執(zhí)行機構(gòu)，主要由一級給進(jìn)油缸，給進(jìn)機身，給進(jìn)桿組件，鏈條，二級給進(jìn)油缸和拖板等部分組成。為了減小鉆機的整機尺寸，并減少加、卸鉆桿的輔助作業(yè)時間，提高施工效率，鉆機設(shè)計采用了非對稱結(jié)構(gòu)的倍程給進(jìn)機構(gòu)，該機構(gòu)使二級給進(jìn)油缸的行程減少一半，進(jìn)而使鉆機軸向尺寸減小，同時二級給進(jìn)油缸的有效推力減小一半。鉆機工作時，一級給進(jìn)油缸帶動給進(jìn)機身前后移動，二級給進(jìn)油缸通過環(huán)繞在給進(jìn)桿組件上的鏈條帶動動力頭前后移動，動力頭移動速度及行程均是二級給進(jìn)油缸的2倍。非對稱結(jié)構(gòu)給進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 非對稱結(jié)構(gòu)給進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The feeding mechanism of asymmetric structural diagram

1）給進(jìn)油缸的選擇。根據(jù)設(shè)計參數(shù)要求：給進(jìn)力為20 kN，起拔力為10 kN，液壓系統(tǒng)額定給進(jìn)壓力為18 MPa。參選油缸廠家的缸徑/桿徑系列，選擇63/45的液壓油缸。根據(jù)倍程給進(jìn)機構(gòu)的特點給進(jìn)力和起拔力公式為：

式中：F1為給進(jìn)油缸的給進(jìn)力，N；F2為給進(jìn)油缸的起拔力，N；p為液壓系統(tǒng)額定給進(jìn)壓力，Pa；D為無桿腔直徑；d為有桿腔直徑。

2）鏈條的選擇。根據(jù)倍程給進(jìn)機構(gòu)的特點，鏈條所承受的最大拉力與給進(jìn)力相同，選取鏈條的安全n系數(shù)為6，因此，所選鏈條型號為24A-1，極限拉伸載荷為127 kN。鏈條的安全系數(shù)計算公式如下：

n=Fu/F=Fu/F1

式中：n為許用安全系數(shù)，一般為4～8；Fu為鏈條的極限拉伸載荷，N；F為鏈條所承受的最大拉力。

2.2 防水式回轉(zhuǎn)器

防水式回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3?；剞D(zhuǎn)器是鉆機的核心部件，由液壓馬達(dá)、箱體、防水組件、水便組件和水便軸組成，其功能是驅(qū)動鉆具實現(xiàn)回轉(zhuǎn)。液壓馬達(dá)為擺線馬達(dá)，通過傳動軸帶動水便軸回轉(zhuǎn)，水便組件與水便軸連為一體，上下鉆桿無需拆裝，提高了鉆進(jìn)效率。為了防止鉆進(jìn)過程中水及雜質(zhì)進(jìn)入箱體，在箱體與水便軸之間設(shè)計有防水組件，保證鉆機的正常工作。

圖3 防水式回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The water proof gyrator structural diagram

2.3 開芯式負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)

鉆機工作所用的動力液由掘錨一體機的液壓系統(tǒng)提供，采用開芯式負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)。鉆機液壓系統(tǒng)原理圖如圖4。

圖4 鉆機液壓系統(tǒng)原理圖Fig.4 The schematic diagram of drilling rig hydraulic system

掘錨一體機啟動后，其泵組輸出的高壓液壓油通過流量閥1進(jìn)入五聯(lián)工作閥，當(dāng)五聯(lián)工作閥對應(yīng)的手柄無操作時，高壓液壓油經(jīng)回油濾油器和冷卻器流回掘錨一體機油箱；當(dāng)操作五聯(lián)閥對應(yīng)的手把可控制液壓馬達(dá)、一級給進(jìn)油缸、二級給進(jìn)油缸、調(diào)角油缸和回轉(zhuǎn)減速器的動作；其中，五聯(lián)工作閥中的第二聯(lián)為慢速給進(jìn)閥，第三聯(lián)為快速給進(jìn)閥，一級給進(jìn)油缸和二級給進(jìn)油缸為并聯(lián)關(guān)系，通過梭閥可以實現(xiàn)一級給進(jìn)油缸和二級給進(jìn)油缸的快慢順序動作，其中慢速給進(jìn)還可以通過流量閥2調(diào)節(jié)給進(jìn)速度。此外，在調(diào)角油缸的控制回路中設(shè)有平衡閥，保證鉆機的工作安全性，在回轉(zhuǎn)減速器的控制回路中設(shè)有液壓鎖，保證鉆機的工作穩(wěn)定性。

3 鉆機型式試驗

鉆機裝配完成后在國家安全生產(chǎn)西安鉆機檢測檢驗中心進(jìn)行了負(fù)載運轉(zhuǎn)性能測試，回轉(zhuǎn)器負(fù)載性能實測數(shù)據(jù)見表1。數(shù)據(jù)表明鉆機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速均達(dá)到設(shè)計要求。此外，鉆機還進(jìn)行了空載運轉(zhuǎn)性能、整機效率、溫升及過載等多項試驗，測試各項技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

表1 回轉(zhuǎn)器負(fù)載性能實測數(shù)據(jù)Table 1 The gyrator measured data of load performance

4 結(jié)語

1）MJZ-400/300E型煤礦用機載錨桿鉆機的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，其液壓系統(tǒng)實現(xiàn)了與掘錨一體機的一體化設(shè)計，滿足掘錨一體機掘進(jìn)工作面上排錨桿支護(hù)施工要求。

2）鉆機非對稱結(jié)構(gòu)兩級給進(jìn)裝置的設(shè)計，最大程度減少了空間尺寸，也減少了加、卸鉆桿工序的輔助操作時間，可以實現(xiàn)錨桿支護(hù)的快速施工。

3）鉆機性能測試的各項技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，提高了掘錨一體機在掘進(jìn)工作面的適用性。