宋亞新， 谷樹(shù)偉，， 于明生， 王永峰， 劉治翔

（1.國(guó)能包頭能源李家壕煤礦， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)及裝備研究院， 遼寧 阜新 123000）

0 引言

巷道掘進(jìn)嚴(yán)格執(zhí)行“有掘必探”措施，即采取“物探先行、鉆探驗(yàn)證、化探跟進(jìn)”的超前探測(cè)手段。巷道掘進(jìn)前先物探、后鉆探，消除隱患后，方可掘進(jìn)一定距離，到達(dá)允許掘進(jìn)位置后再物探、鉆探，依次循環(huán)。在鉆探過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)涌水現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)采集水樣化驗(yàn)，分析水質(zhì)類(lèi)型，辨別出水水源，采取防治措施。

目前綜掘工作面前探設(shè)備普遍采用相對(duì)獨(dú)立的煤礦用液壓鉆機(jī)，鉆探時(shí)，人工將液壓鉆機(jī)各部分運(yùn)送到迎頭組裝，組裝完成后開(kāi)始探測(cè)工作。 鉆孔的調(diào)整全部靠人工完成，探測(cè)完成后將液壓鉆機(jī)各組成部件拆解，搬運(yùn)到掘進(jìn)機(jī)后方放置。 整個(gè)鉆探工作流程復(fù)雜，反復(fù)搬運(yùn)、裝拆輔助時(shí)間多，影響有效的工作時(shí)間，用人較多且工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大，嚴(yán)重影響掘進(jìn)工作面的進(jìn)尺速度。

掘錨一體化高效掘進(jìn)是針對(duì)低應(yīng)力煤巷， 基于掘錨一體化、空間多維度同步支護(hù)等技術(shù)，將掘進(jìn)工程進(jìn)行系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，通過(guò)構(gòu)建掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸、除塵等工序的同步作業(yè)線(xiàn)，達(dá)到提高成巷效率的目的，最大限度降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了作業(yè)環(huán)境，減人提效，實(shí)現(xiàn)了煤礦掘、支、錨、運(yùn)多功能機(jī)械化一體化作業(yè)。鉆探是影響掘進(jìn)效率的另一大因素，然而，目前的掘錨一體機(jī)還不具有超前探測(cè)功能，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，國(guó)內(nèi)目前的煤礦對(duì)掘錨一體增加探測(cè)模塊的要求越來(lái)越迫切， 將掘錨一體機(jī)技術(shù)與鉆孔超前探測(cè)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)解決“探測(cè)、掘進(jìn)、支護(hù)、錨固”四大工序之間相互制約的矛盾具有重要意義。因此本文設(shè)計(jì)一種掘錨一體機(jī)機(jī)載式探放水鉆機(jī)。

1 掘錨一體機(jī)探放水作業(yè)工況分析

依據(jù)國(guó)能包頭能源李家壕煤礦31115 輔運(yùn)順槽掘進(jìn)工作面作業(yè)規(guī)程可知，掘進(jìn)過(guò)程中，在掘進(jìn)巷道內(nèi)需要鉆探2 個(gè)探孔，每個(gè)探孔長(zhǎng)度為230m，見(jiàn)表1。 探孔位置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 探孔位置示意圖Fig.1 Location of exploratory hole

表1 工作面超前探放水孔設(shè)計(jì)參數(shù)表Tab.1 Design parameters of advance exploration and drainage hole in working face

探放水技術(shù)要求：①探放水孔嚴(yán)格按設(shè)計(jì)開(kāi)孔位置、仰角及方位角施工；②鉆孔均由ZDY 型煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)施工；③各探放水鉆孔開(kāi)孔直徑均為Φ75mm，鉆進(jìn)深度：230m，鉆桿直徑：63.5mm；④安裝完畢后，以φ63.5mm 鉆桿施工至終孔；⑤施工過(guò)程中， 施工人員隨時(shí)用便攜儀檢測(cè)鉆孔周?chē)鷼怏w濃度，一旦發(fā)現(xiàn)濃度異常，立即停止施工，以防發(fā)生安全事故；⑥施工過(guò)程中必須嚴(yán)格按規(guī)定詳細(xì)填寫(xiě)班報(bào)表，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整角度，采用適當(dāng)?shù)膲毫?、鉆速保證鉆孔打通，將上方采空區(qū)水量降到最低；⑦如發(fā)現(xiàn)水壓、水量突然增大、頂鉆、有氣體涌出等異?，F(xiàn)象時(shí)，必須立即停止鉆進(jìn)，不得拔出鉆桿，要立即向生產(chǎn)指揮中心（調(diào)度室）匯報(bào)。

2 機(jī)載式探放水鉆機(jī)總體方案

2.1 機(jī)載式探放水鉆機(jī)整體布局

本文根據(jù)煤礦井下“有掘必探”原則，針對(duì)現(xiàn)有掘進(jìn)、錨固、支護(hù)、超前探測(cè)協(xié)調(diào)聯(lián)控問(wèn)題，旨在通過(guò)在掘錨機(jī)上加載自動(dòng)化超前探測(cè)設(shè)備以提高掘進(jìn)效率， 減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度。鉆機(jī)是以掘錨機(jī)為載體，配置鉆孔機(jī)構(gòu)和姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦掘進(jìn)巷道的探水鉆孔作業(yè)，從而縮短鉆孔作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間。 本課題研究的探放水鉆機(jī)總體方案見(jiàn)圖2。

圖2 超前探放水鉆機(jī)整機(jī)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the whole machine of advance water exploration and drainage drilling rig

主要由探放水鉆機(jī)系統(tǒng)主要由三大部分組成， 分別是探放水鉆機(jī)系統(tǒng)、液壓泵站、操作臺(tái)及電控系統(tǒng)。 本項(xiàng)目將鉆探裝置合理集成在掘錨機(jī)上， 通過(guò)智能控制可減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度，增加鉆孔效率。探放水鉆機(jī)系統(tǒng)安裝在原有通風(fēng)除塵風(fēng)機(jī)處， 利用原有通風(fēng)除塵風(fēng)機(jī)的連接位置而無(wú)需在現(xiàn)有掘錨機(jī)上添加額外的連接裝置。

當(dāng)掘進(jìn)作業(yè)達(dá)到規(guī)定掘進(jìn)深度時(shí)，整機(jī)由掘進(jìn)狀態(tài)改為鉆探狀態(tài)，通過(guò)推移油缸將鉆探模塊推出至指定位置；利用回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)調(diào)整鉆機(jī)水平轉(zhuǎn)角，達(dá)到指定鉆孔角度要求；調(diào)整俯仰驅(qū)動(dòng)，調(diào)整鉆機(jī)俯仰角，通過(guò)以上幾種調(diào)姿機(jī)構(gòu)復(fù)合動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)精準(zhǔn)定位；進(jìn)而利用自動(dòng)鉆探模塊，實(shí)現(xiàn)智能化鉆孔作業(yè)，在調(diào)姿過(guò)程中，始終保證鉆探裝置與掘錨機(jī)本體無(wú)空間干涉問(wèn)題。利用合理的作業(yè)工藝，保證各工序均衡，發(fā)揮掘錨一體機(jī)的最大工效，提高掘進(jìn)效率。

掘錨機(jī)機(jī)身布置獨(dú)立鉆探操作臺(tái)， 預(yù)計(jì)1～2 名操作工人即可，同時(shí)該操作人員可在鉆探作業(yè)時(shí)輔助換桿、接桿作業(yè)，保證鉆探工作安全、有序進(jìn)行。 由于鉆孔作業(yè)過(guò)程機(jī)械化程度高，無(wú)需操作人員進(jìn)行高強(qiáng)度體力勞動(dòng)，勞動(dòng)強(qiáng)度低，勞動(dòng)強(qiáng)度時(shí)間短；操作過(guò)程智能化程度高，操作方便，便于操作工人上手，最大化提高效率。

2.2 探放水鉆機(jī)系統(tǒng)工作原理

探放水鉆機(jī)系統(tǒng)在不工作時(shí)收縮在掘錨機(jī)原通風(fēng)除塵風(fēng)機(jī)處，工作時(shí)再伸展至靠近煤壁處進(jìn)行鉆孔作業(yè)。超前探放水鉆機(jī)工作狀態(tài)見(jiàn)圖3，具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。 探放水鉆機(jī)系統(tǒng)工作過(guò)程示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 探放水鉆機(jī)系統(tǒng)工作過(guò)程示意圖Fig.4 Schematic diagram of working process of water exploration and drainage drilling rig system

表2 掘錨一體機(jī)超前鉆探裝置的具體技術(shù)指標(biāo)表Tab.2 Specific technical indexes of advance drilling device of all- in- one auger and anchor

圖3 超前探放水鉆機(jī)工作示意圖Fig.3 Working diagram of advance exploration and drainage drilling rig

3 超前探鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行鉆機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，采用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法，結(jié)合數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件CAD、CAE 類(lèi)， 依據(jù)自頂向下的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。 即先設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的初步方案及零部件之間的裝配約束關(guān)系，再進(jìn)行零部件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其過(guò)程是一個(gè)從抽象到具體的不斷演化的設(shè)計(jì)過(guò)程， 一般情況下，這個(gè)過(guò)程劃分為需求分析、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)三個(gè)階段，設(shè)計(jì)過(guò)程見(jiàn)圖5。

圖5 自頂向下設(shè)計(jì)過(guò)程Fig.5 Top down design process

掘錨機(jī)機(jī)載折疊型鉆孔機(jī)械手安裝在掘錨機(jī)截割部上方，由翻轉(zhuǎn)折疊機(jī)構(gòu)、前后推移機(jī)構(gòu)及鉆機(jī)主機(jī)三大部分組成，其中翻轉(zhuǎn)折疊機(jī)構(gòu)、前后推進(jìn)機(jī)構(gòu)完成鉆頭位姿的調(diào)整，鉆機(jī)本體完成鉆頭推進(jìn)切削破巖工作。

布局設(shè)計(jì)階段，是進(jìn)行產(chǎn)品總體方案的設(shè)計(jì)階段，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人要根據(jù)產(chǎn)品的性能指標(biāo)及設(shè)計(jì)周期等因素對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及人員分配進(jìn)行規(guī)劃。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人根據(jù)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)結(jié)果，繪制產(chǎn)品布局圖，確定產(chǎn)品子裝配及主要的零部件之間的裝配關(guān)系， 并根據(jù)產(chǎn)品的性能指標(biāo)定義所需要達(dá)到的一些關(guān)鍵性能要求、功能參數(shù)、約束條件等，最后根據(jù)項(xiàng)目組的人員情況，將子裝配和各主要零部件設(shè)計(jì)任務(wù)分配給不同的設(shè)計(jì)小組或設(shè)計(jì)者。

探放水鉆機(jī)由多個(gè)子裝配組成： 固定滑道、 伸縮滑道、伸縮油缸、支座、水平旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、俯仰旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、行走馬達(dá)等組成，在三維設(shè)計(jì)軟件中，首先勾畫(huà)出鉆孔機(jī)械手在掘錨機(jī)中的外觀形狀及位置， 然后定義裝配鉆孔機(jī)械手兩個(gè)固定滑道兩個(gè)基準(zhǔn)面，最后再定義兩個(gè)基準(zhǔn)軸用于確定鉆孔機(jī)械手的位置。 將基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)軸關(guān)聯(lián)到骨架和零件中，最后再增加尺寸、參數(shù)、關(guān)系式、空間參考基準(zhǔn)、增加參數(shù)表與說(shuō)明等，完成布局設(shè)計(jì)。

探放水鉆機(jī)系統(tǒng)安裝在原有通風(fēng)除塵風(fēng)機(jī)處， 探放水鉆機(jī)安裝位置見(jiàn)圖6。

圖6 探放水鉆機(jī)安裝位置示意圖Fig.6 Installation position of water exploration and drainage drilling rig

利用原有通風(fēng)除塵風(fēng)機(jī)的連接位置而無(wú)需在現(xiàn)有掘錨機(jī)上添加額外的連接裝置。探放水鉆機(jī)安裝固定方式見(jiàn)圖7。

圖7 探放水鉆機(jī)安裝固定方式示意圖Fig.7 Schematic diagram of installation and fixing mode of water exploration and drainage drilling rig

由于探放水鉆機(jī)安裝位置距離帶鉆孔的煤壁距離較遠(yuǎn)，因此需要設(shè)計(jì)一套鉆機(jī)位置調(diào)整機(jī)構(gòu)將鉆機(jī)推送到距離煤壁較近的位置，然后進(jìn)行鉆機(jī)的姿態(tài)角度調(diào)整，最后進(jìn)行鉆孔作業(yè)。 探放水鉆機(jī)姿態(tài)調(diào)整平臺(tái)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。

圖8 探放水鉆機(jī)姿態(tài)調(diào)整平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structural diagram of attitude adjustment platform of water exploration and drainage drilling rig

探放水鉆機(jī)姿態(tài)調(diào)整平臺(tái)主要由主機(jī)框架、 一級(jí)伸縮框架、主機(jī)框架升降油缸、主機(jī)框架導(dǎo)桿、連接鉸耳、一級(jí)伸縮框架導(dǎo)桿、水平回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、鉆機(jī)水平回轉(zhuǎn)平臺(tái)等組成。探放水鉆機(jī)模塊固定在鉆機(jī)水平回轉(zhuǎn)平臺(tái)上。探放水鉆機(jī)模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。

圖9 探放水鉆機(jī)模塊結(jié)構(gòu)Fig.9 Module structure of water exploration and drainage drilling rig

探放水鉆機(jī)模塊主要由鉆機(jī)連接平臺(tái)、鉆機(jī)框架、鉆機(jī)動(dòng)力頭、 鉆機(jī)動(dòng)力頭推進(jìn)油缸、 鉆機(jī)垂直旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、 支撐立柱、 支撐立柱回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)一級(jí)液壓夾持器等組成。支撐立柱在探放水鉆機(jī)不工作時(shí)是水平放置的，在探放水鉆機(jī)工作時(shí)由回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)擺至垂直放置， 用來(lái)支撐鉆機(jī)，提高鉆機(jī)作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種掘錨一體機(jī)機(jī)載式探放水鉆機(jī)。 分析了掘進(jìn)工作面探放水作業(yè)工況和功能需求， 根據(jù)自頂向下的設(shè)計(jì)過(guò)程， 提出了新穎的超前探放水鉆機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和加裝于掘錨機(jī)上的安裝方式， 設(shè)計(jì)了超前探放水鉆機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)。 通過(guò)對(duì)本課題設(shè)計(jì)研發(fā)的掘錨一體機(jī)機(jī)載式探放水鉆機(jī)在煤礦現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。利用早班檢修時(shí)間進(jìn)行80～100m 的探放水鉆孔作業(yè)，即探放水鉆孔作業(yè)不占用掘進(jìn)作業(yè)時(shí)間。 安裝在掘錨機(jī)上的探放水鉆機(jī)在準(zhǔn)備工作階段要比分離的坑道式探放水鉆機(jī)能夠節(jié)約80%的時(shí)間。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋本課題研發(fā)的探放水鉆機(jī)具有較好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。