劉治翔， 張云升， 劉 偉， 謝 苗， 劉 剛

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)， 遼寧 阜新 123000； 2.中煤平朔集團井工一礦， 山西 朔州 036000）

0 引言

煤炭資源在地下分層分布，開采過程中，需要一層一層的開采，為了保證工作面上煤炭資源的最大限度回收，每采空一層需要了解下一層煤層的厚度及巖石的分布，此時需要在當前煤層進行探煤層厚度的工作。 煤礦井下的工作空間有限，一些大型的鉆探設(shè)備并不適用，現(xiàn)今所采用探煤層厚度的工具為手持式錨桿機，該設(shè)備在工作時需要人工扶持，由于錨桿機鉆孔破碎巖石的過程中產(chǎn)生強烈振動造成設(shè)備的穩(wěn)定性較差， 從鉆孔中掉落的煤渣導(dǎo)致現(xiàn)場操作人員工作環(huán)境惡劣，同時操作該設(shè)備時操作人員距離鉆孔位置較近存在冒頂片幫的安全隱患。

因此，為了改善工人作業(yè)的安全性，提高鉆探作業(yè)的工作效率，急需研發(fā)一種操作便捷、結(jié)構(gòu)小巧、靈活性高、移動和回收方便的專用于綜采工作面頂板探煤厚鉆機，從而提高鉆探效率、保障工人安全、降低工人勞動強度。

礦用鉆機經(jīng)過長期的發(fā)展，經(jīng)過眾多專家學(xué)者的潛心研究，已有了一定的成果：陳威等[1]發(fā)明了一種通過使用變頻電機加定量馬達的變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)克服了原有液壓系統(tǒng)的缺陷。 新液壓系統(tǒng)對鉆機工作介質(zhì)要求有所降低，并有低故障高效率的特點。 田士杰等[2]根據(jù)已有鉆機形式，設(shè)計出一款分體式并且可以在一定范圍內(nèi)自由打孔作業(yè)的鉆機，實現(xiàn)多角度打桿，解決了原有鉆機定位困難，影響鉆孔效率的問題。 王艷青等[3]對已有鉆機工作原理及結(jié)構(gòu)特性進行研究，并通過功能分析法完成動力頭部分的設(shè)計，并驗證了該方法下的設(shè)計結(jié)果是否可行。

1 鉆機主要技術(shù)參數(shù)確定

本章節(jié)對本文所設(shè)計的頂板探煤厚鉆機的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進行確定。 頂板探煤厚鉆機的設(shè)計工作依據(jù)現(xiàn)場工況所需液壓錨桿鉆機進行配套設(shè)計。

（1） 轉(zhuǎn)速確定。 設(shè)備要求能夠適應(yīng)的普氏硬度范圍為：f≤8 的煤巖。 需選擇合適的液壓錨桿鉆機。 根據(jù)巖石破碎機理。普氏硬度系數(shù)與鉆機切削速度存在以下關(guān)系：

式中：d—為鉆頭直徑（mm）。

目前常用錨桿尺寸有27mm、32 mm、42 mm。 對于普系數(shù)為8 的煤巖層來說。 由以上兩式可推出鉆機所需理論額定轉(zhuǎn)速。

（2）功率確定。 依據(jù)能量守恒原則，鉆機破巖時需消耗的功率可由下式表述：

2 頂板探煤厚鉆機設(shè)計

2.1 頂板探煤厚鉆機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本方案通過吊裝平臺將鉆孔機械手始終吊裝于液壓支架頂板下方。 鉆孔作業(yè)時通過旋轉(zhuǎn)平臺、 水平推移平臺、 垂直旋轉(zhuǎn)平臺的聯(lián)合動作將鉆機體推送至需要鉆孔的位置。 鉆孔作業(yè)完畢時，再將鉆機體折疊至初始位置。

設(shè)備基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 綜采工作面回采煤層旋轉(zhuǎn)式探頂煤坑道鉆機示意圖Fig.1 Schematic diagram of the rotary top coal tunnel drilling rig for coal mining at a fully mechanized mining face

2.2 頂板探煤厚鉆機工作原理

通過拓撲優(yōu)化設(shè)計，最大程度降低各機構(gòu)的高度，使鉆孔機械手折疊至初始狀態(tài)時的高度最小，存儲在液壓支架頂板下方時，無論工作面高度怎么變換，液壓支架處于何種狀態(tài)，均不影響采煤機通過。

由于鉆孔位置不一定始終在液壓支架一側(cè)， 要通過判斷兩個液壓支架之間煤層頂板破碎程度確定鉆孔位置， 水平旋轉(zhuǎn)平臺可實現(xiàn)將鉆機體旋轉(zhuǎn)到液壓支架兩側(cè)的鉆孔位置。

水平推移平臺和旋轉(zhuǎn)平臺的聯(lián)合動作可將鉆機體推送至需要鉆孔的位置。 垂直旋轉(zhuǎn)平臺可將水平放置的鉆機旋轉(zhuǎn)至垂直放置，從而進行鉆孔作業(yè)。通過快速拆卸機構(gòu)也可將鉆機體從機械手上拆除， 移動到更遠位置進行鉆孔作業(yè)，見圖2。

圖2 綜采工作面回采煤層旋轉(zhuǎn)式探頂煤坑道鉆機展開示意圖Fig.2 Schematic diagram of the deployment of the rotary top coal tunnel drilling rig in the coal seam of a fully mechanized mining face

2.3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)有限元分析

（1）承載部有限元分析。承載部直接與液壓支架頂板固接，是整個設(shè)備的承重件，在加入重力影響的同時，對其末端施加其余零部件造成的載荷， 求解其形變及應(yīng)力狀態(tài)云圖，見圖3。

圖3 承載部有限元分析云圖Fig.3 Finite element analysis cloud diagram of the bearing part

（2）回轉(zhuǎn)部有限元分析。回轉(zhuǎn)部與承載部通過鉸鏈相連，可在±25°范圍內(nèi)繞鉸接點轉(zhuǎn)動，其主要受到來自推移部和鉆機部分的載荷，為模擬最大受力狀態(tài)，對其前端加載進行有限元分析，結(jié)果如圖4 所示。（3）推移部有限元分析。 推移部相對回轉(zhuǎn)部可滑動，當推移部從回轉(zhuǎn)部伸出時，其結(jié)構(gòu)受力最明顯， 故在添加重力條件下， 對其與鉆機鉸接處施加載荷，得到分析云圖，見圖5。

圖5 推移部有限元分析云圖Fig.5 The finite element analysis cloud diagram of the moving part

由有限元分析數(shù)據(jù)可以看出， 各關(guān)鍵零部件受力情況均在允許范圍內(nèi)。

3 設(shè)備液壓系統(tǒng)設(shè)計

鉆機液壓回路作用為調(diào)整設(shè)備工作位置，在設(shè)備工作時為鉆機提供壓入煤巖的進給力。 對于不同硬度的煤巖，鉆機鉆削破巖阻力變化，鉆進的最優(yōu)推力也不同。 為保證鉆進效率鉆進速度與退回速度響應(yīng)大于進給速度。 設(shè)計時采用進油節(jié)流調(diào)速的方式，通過單向閥與節(jié)流閥配合使油缸速度按一定比例伸出和縮回。 液壓系統(tǒng)中設(shè)置溢流閥，防止系統(tǒng)過載，起到保護回路作用。 具體原理圖見圖6。

圖6 設(shè)備液壓系統(tǒng)圖示Fig.6 Diagram of the equipment hydraulic system

4 結(jié)束語

本文根據(jù)實際工況需求，完成綜采工作面頂板探煤厚鉆機選型及配套設(shè)計。 設(shè)計方案具有良好的收納性和靈活性， 可以滿足井下復(fù)雜情況的施工要求。 通過有限元法分析配套結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)特性， 得到形變及應(yīng)力云圖，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化使得各部件具備良好的力學(xué)性能， 能夠滿足實際需求。 最后采用節(jié)流調(diào)速方式完成液壓系統(tǒng)設(shè)計，滿足設(shè)備動作需求，提高設(shè)備操作性。