劉 偉， 賀昌斌， 柴樹剛， 謝 苗， 劉治翔

（1.中煤平朔集團(tuán)井工一礦，山西 朔州 036000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)及裝備研究院，遼寧 阜新123000）

0 引言

目前煤礦井下綜采工作面頂板煤厚探測(cè)主要依靠人工操作鉆機(jī)、煤電鉆來進(jìn)行鉆探，在探煤厚時(shí)頂幫容易掉下煤塊，導(dǎo)致人員被砸傷，安全性差，人工接、拆鉆桿，工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，鉆探效率低，鉆探時(shí)需要采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)等待，嚴(yán)重影響煤炭開采效率。 而目前機(jī)械化鉆孔設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境適應(yīng)性差，無法適用于在狹長(zhǎng)、空間受限的綜采工作面。

為了獲取煤礦井下采區(qū)和工作面內(nèi)確切的煤層厚度資料，為礦井進(jìn)一步圈算煤炭?jī)?chǔ)量和測(cè)算回采率，為采區(qū)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供準(zhǔn)確、可靠的技術(shù)依據(jù)，以便合理組織采掘工程，合理開發(fā)、利用煤炭資源，減少損失，研發(fā)試制一種操作便捷、靈活性高、移動(dòng)和回收方便的專用于綜采工作面頂板探煤厚鉆機(jī)， 從而提高鉆探效率、 保障工人安全、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 綜采工作面頂板探煤厚鉆機(jī)設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)

1.1 綜采工作面頂板探煤厚鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)

為保證綜采工作面回采煤層煤炭資源的最大限度回收，利用現(xiàn)有鉆探技術(shù)及裝備結(jié)合井下的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)出滿足綜采工作面回采煤層探頂煤厚需求的新型鉆機(jī)。本鉆孔機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)圖見圖1， 圖中主要組成部件如下說明。

圖1 鉆孔機(jī)械手總圖Fig.1 General drawing of drilling manipulator

該鉆孔機(jī)械手是由：操作臺(tái)、主車體、伸縮液壓缸、側(cè)邊導(dǎo)輪、連接桿、翻轉(zhuǎn)框架、 翻轉(zhuǎn)液壓缸、氣動(dòng)鉆機(jī)、展開框架、車輪座、行走車輪、氣動(dòng)馬達(dá)、馬達(dá)支架等部分組成的“兩翻轉(zhuǎn)兩平移”式結(jié)構(gòu)。

設(shè)備技術(shù)參數(shù)，見表1。

表1 設(shè)備總體技術(shù)參數(shù)Tab.1 Overall technical parameters of equipment

1.2 工作原理

工作過程有兩種方式分別對(duì)應(yīng)兩種工況。

第一種方式適用于常用工況：設(shè)備主體借助卡軌器，通過行走驅(qū)動(dòng)到達(dá)指定位置后， 操作手柄使鉆機(jī)翻轉(zhuǎn)油缸將鉆機(jī)及其配合導(dǎo)軌順時(shí)針翻轉(zhuǎn)一定角度， 使俯仰角度到合適位置。 驅(qū)動(dòng)進(jìn)給油缸使鉆機(jī)導(dǎo)軌沿鉆機(jī)滑道移動(dòng)直至頂住煤巖或液壓支架，完成支撐固定。最后推進(jìn)鉆機(jī)打孔作業(yè)。

第二種方式適用于需要鉆機(jī)垂直采煤工作面打孔作業(yè)的情況。設(shè)備主體到達(dá)指定位置后，由人工推動(dòng)水平回轉(zhuǎn)支架至鉆機(jī)面向液壓支架 （回轉(zhuǎn)支架垂直于采煤工作面）。 鉆機(jī)水平回轉(zhuǎn)架上突出的支承板應(yīng)支撐在中部槽上，完成初步支撐作用。繼續(xù)操作手柄改變鉆機(jī)俯仰角度到合適位置。 驅(qū)動(dòng)進(jìn)給油缸使鉆箱導(dǎo)軌沿鉆機(jī)滑道移動(dòng)直至頂住煤巖或液壓支架，完成支撐固定。最后推進(jìn)鉆機(jī)打孔作業(yè)。

鉆孔機(jī)械手主要用于隧道頂部巖壁鉆孔探深， 當(dāng)進(jìn)行鉆孔工作時(shí)， 行走馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行走輪將設(shè)備前引至選定位置。 設(shè)備在回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的控制下將鉆機(jī)伸縮導(dǎo)軌有水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)至垂直頂板并固定，補(bǔ)償油缸動(dòng)作，將鉆機(jī)向頂板方向推送， 當(dāng)鉆機(jī)導(dǎo)軌前端面頂至液壓支架頂梁時(shí)停止，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)高度補(bǔ)償，隨后驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)對(duì)隧道頂部巖壁進(jìn)行鉆孔探深

本設(shè)計(jì)的探頂厚鉆機(jī)， 主要用于平朔煤礦的綜采工作面回采煤層探煤厚工作。 該探頂厚鉆機(jī)主要有三種工作狀態(tài)：儲(chǔ)存運(yùn)輸狀態(tài)；探頂厚鉆機(jī)工作狀態(tài)；出于前兩者之間存在過渡狀態(tài)。

下面結(jié)合圖示介紹本設(shè)備工作全過程：

（1）定位及展開過程：①儲(chǔ)存狀態(tài)。 儲(chǔ)存狀態(tài)下鉆進(jìn)裝置沿工作面方向水平放置， 機(jī)架上的鉆機(jī)載板對(duì)鉆機(jī)起到支撐作用，防止鉆機(jī)掉落。 此時(shí)設(shè)備所占空間最小。有利于運(yùn)輸與儲(chǔ)藏；②鉆機(jī)定位。在運(yùn)輸過程中通過底盤一側(cè)的行走裝置與銷排配合來實(shí)現(xiàn)探頂厚鉆機(jī)的運(yùn)輸，以使鉆機(jī)到達(dá)預(yù)工作面或撤離工作面， 推動(dòng)行走馬達(dá)控制手柄至右（或左）側(cè)，驅(qū)動(dòng)行走輪使設(shè)備向前運(yùn)動(dòng)，直至設(shè)備到達(dá)指定位置；③旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)。過渡狀態(tài)主要完成探頂厚鉆機(jī)工作前的初步定位工作， 當(dāng)鉆機(jī)達(dá)到預(yù)定工作面時(shí)行走裝置進(jìn)行自鎖保證探頂厚鉆機(jī)暫時(shí)的穩(wěn)定。 推動(dòng)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)控制手柄至前進(jìn)位， 鉆機(jī)伸縮導(dǎo)軌順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，使設(shè)備鉆機(jī)部分達(dá)到豎直位置并自鎖，保持鉆機(jī)暫時(shí)穩(wěn)定，見圖2；④高度補(bǔ)償。 將補(bǔ)償油缸手柄推至展開位置，補(bǔ)償油缸展開，鉆機(jī)沿伸縮導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)頂在液壓支架頂梁下，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)高度補(bǔ)償及支承。將卡軌器卡緊銷排，此時(shí)補(bǔ)償進(jìn)給液壓缸通過油缸的伸縮將鉆進(jìn)體送到液壓支架頂板處，使其與頂板充分接觸并與卡軌器相配合增加了探頂厚鉆機(jī)的穩(wěn)定性，見圖3。

圖2 鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of drilling rig rotation

圖3 鉆機(jī)補(bǔ)償示意圖Fig. 3 schematic diagram of drilling rig compensation

（2）工作狀態(tài)。 工作時(shí)，機(jī)架及伸縮導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)的固定，鉆機(jī)在推進(jìn)器的推動(dòng)下，向上進(jìn)行鉆探。 鉆機(jī)在工作中判斷煤巖性質(zhì)的方法是通過較為成熟的巖性識(shí)別技術(shù)與人工觀察相配合的方式進(jìn)行煤巖性質(zhì)的識(shí)別，根據(jù)設(shè)置鉆桿和進(jìn)給液壓缸上的扭矩和壓力傳感器反饋回來的壓力信號(hào)經(jīng)過分析處理來初步判斷煤巖的性質(zhì)，當(dāng)鉆桿和進(jìn)給液壓缸的扭矩和進(jìn)給壓力曲線發(fā)生較大變化時(shí)且持續(xù)一段時(shí)間后，說明此時(shí)的煤巖性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生了變化，在產(chǎn)生此現(xiàn)象的同時(shí)觀察探頂厚鉆機(jī)頂部排渣裝置出口處的鉆屑情況，進(jìn)一步確定煤巖性質(zhì)。

（3）回收過程。 折疊過程與展開過程步驟相反，分別為撤回鉆機(jī)、操補(bǔ)償油缸手柄鉆機(jī)伸縮導(dǎo)軌歸回至原位、推動(dòng)操作臺(tái)手柄使鉆機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到初始位置。

2 總體參數(shù)確定

使用ANSYS 對(duì)探煤厚鉆機(jī)在工作工況下的強(qiáng)度、變形量和屈曲進(jìn)行分析和驗(yàn)證。鉆機(jī)材料采用的是Q355。彈性模量，E=210000（N/mm2）；剪切模量，G=81000（N/mm2）；泊松比：μ=0.3。如果σs/σb＜0.7，則σa=σs/n；如果σs/σb≥0.7，則σa=0.41（σs+σb）/n。

表2 材料Q355 許用應(yīng)力表（MPa）Tab.2 Material Q355 allowable stress table（MPa）

構(gòu)建有限元分析模型見圖4。 鉆機(jī)模型中結(jié)構(gòu)自重：320kg。 鉆機(jī)載荷：20000N。 鉆機(jī)載荷水平分量（按偏角3°計(jì)算）：1047N。

圖4 鉆機(jī)分析有限元模型Fig.4 Finite element model for drilling rig analysis

通過有限元計(jì)算得到的結(jié)果見圖5。

圖5 有限元計(jì)算結(jié)果Fig.5 Finite element calculation results

有限元計(jì)算可知，平移底座最大綜合應(yīng)力σmax=37.8MPa＜σa，回轉(zhuǎn)臂架最大綜合應(yīng)力σmax=66.3MPa＜σa， 俯仰臂架最大綜合應(yīng)力σmax=205.8MPa＜σa，連桿最大綜合應(yīng)力σmax=65.3MPa＜σa， 機(jī)械手結(jié)構(gòu)整體變形最大變形量：6.1mm。 機(jī)械手結(jié)構(gòu)1階屈曲特征值：24.3。

由上述計(jì)算分析可知，在鉆機(jī)載荷為20000N 并考慮最大偏角為3 度的情況下，機(jī)械手各工況下的強(qiáng)度、變形以及屈曲均滿足相關(guān)工作要求。

3 鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本項(xiàng)目研制的綜采工作面頂板探煤厚鉆機(jī)已在平朔公司井工一礦19111 綜放工作面進(jìn)行了測(cè)試。19111 綜放工作面，工作面傾向起伏角度不大于7°、一般3°～5°，工作面長(zhǎng)度281.9m、起伏角度不大于0°～5°，煤質(zhì)硬度f=2～4。頂板多為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖及泥巖，底板以砂質(zhì)泥巖為主，局部為炭質(zhì)泥巖或砂巖。輔運(yùn)順槽凈高3.5m 寬5.2m，回風(fēng)順槽高3.5m 寬5.2m，切眼凈高3.5m 寬10m，均為矩形巷道。 工作面設(shè)計(jì)采高3.5m。 測(cè)試步驟如下：

（1） 在19111 工作面上平均每30m 選取1 個(gè)測(cè)試位置，共計(jì)10 個(gè)測(cè)試位置，如圖1 所示。 在兩個(gè)支架頂梁之間的縫隙處進(jìn)行頂煤厚鉆探試驗(yàn)。 根據(jù)每個(gè)測(cè)試位置頂板的好壞酌情向兩側(cè)移動(dòng)若干支架，重新選取測(cè)試位置。

（2） 測(cè)試時(shí)首先將頂煤厚鉆機(jī)通過起吊裝置從液壓支架處的安裝座上移動(dòng)到刮板輸送機(jī)中部槽上。

（3）接上風(fēng)管，控制鉆機(jī)行走裝置將頂煤厚鉆機(jī)移動(dòng)到需要測(cè)試的位置。

（4）接上乳化液管和水管，控制鉆機(jī)從兩個(gè)支架頂梁之間的縫隙處向上鉆探。

（5）當(dāng)鉆探阻力明顯增大，鉆孔過程中流出的廢水較之前不再污黑，說明已鉆到頂板巖石處，記錄鉆探過程中的鉆桿數(shù)量和當(dāng)前鉆桿的鉆進(jìn)深入即為頂板煤層厚度。

（6）拆除乳化液管和水管，控制鉆機(jī)行走裝置將頂煤厚鉆機(jī)移動(dòng)到下一個(gè)需要測(cè)試的位置。

（7）重復(fù)步驟（4）～步驟（6）完成對(duì)整個(gè)工作面的頂煤厚鉆探試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)位置布置和測(cè)試情況見圖6、圖7。

圖6 測(cè)試位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of test location

圖7 頂板探煤厚鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試Fig.7 Field test of roof thick coal drilling rig

通過為期一個(gè)月的19111 工作面頂板探煤厚現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到相關(guān)數(shù)據(jù)繪制見圖8、圖9。

圖8 工作面頂板煤厚鉆探測(cè)試數(shù)據(jù)示意Fig.8 Illustration of test data of roof coal thickness drilling in working face

圖9 工作面煤層厚度模擬圖Fig.9 Simulation diagram of coal seam thickness in working face

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可知：①綜采工作面頂板探煤厚鉆機(jī)滿足工作和功能要求；②工作面頂板探煤厚鉆機(jī)測(cè)得19111 工作面頂板煤厚平均值為12.8m， 與前期人工鉆探深度基本一致，滿足工作要求； ③每個(gè)鉆孔時(shí)間在5min 左右，測(cè)試期間測(cè)試的總時(shí)長(zhǎng)在70min左右。 通常每個(gè)工作面每次鉆孔僅需要鉆探3～5 個(gè)孔位， 因此鉆探需要耗時(shí)30～40min， 相比傳統(tǒng)人工鉆孔效率提高30%左右。

4 結(jié)論

為保證綜采工作面回采煤層煤炭資源的最大限度回收，利用現(xiàn)有鉆探技術(shù)及裝備結(jié)合井下的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)出滿足綜采工作面回采煤層探頂煤厚需求的新型鉆機(jī)。該綜采工作面頂板探煤厚鉆機(jī)的動(dòng)力源為綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)的乳化液和氣源。乳化液為鉆機(jī)的油缸提供動(dòng)力，氣源為鉆機(jī)和行走馬達(dá)等提供動(dòng)力。鉆機(jī)采用架式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)水平與豎直在一定角度的自由回轉(zhuǎn)。該鉆機(jī)能進(jìn)行折疊回收減小存放體積，能夠在煤礦井下空間狹小的工況條件下應(yīng)用。 工作面頂板探煤厚鉆機(jī)測(cè)得19111 工作面頂板煤厚平均值為12.8m，與前期人工鉆探深度基本一致，滿足工作要求。綜采工作面頂板探煤厚鉆機(jī)滿足工作和功能要求。