楊文斌

（山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046000）

引言

根據(jù)煤礦有疑必探、有掘必探的要求，探放水作業(yè)是當(dāng)下煤礦安全生產(chǎn)的必要施工工序，傳統(tǒng)的探水設(shè)備多采用履帶式深孔鉆車、移動式坑道鉆車或者非自移式探水鉆機(jī)，履帶式深孔鉆車、移動式坑道鉆車不僅增加了巷道設(shè)備數(shù)量、增加了交替錯(cuò)機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，而且造價(jià)高昂、體積大，配置人員數(shù)量多；非自移式探水鉆機(jī)功率較小，達(dá)不到探放水深度要求，且勞動強(qiáng)度高，需要人工搬運(yùn)，存在較大的安全隱患。煤礦用三臂錨桿鉆車充分考慮機(jī)組功能的多樣化，不僅在機(jī)組兩側(cè)設(shè)有左右錨鉆部，還在機(jī)組中部設(shè)計(jì)有探水鉆機(jī)，不僅增加了施工探測孔的功能，拓寬了設(shè)備的功能和適用范圍，而且減少了井下設(shè)備種類，優(yōu)化了煤礦井下巷道設(shè)備配置[1]。

1 煤礦用三臂錨桿鉆車的組成及工作原理

煤礦用三臂錨桿鉆車屬于煤礦井下支護(hù)設(shè)備，主要由行走部、機(jī)體部、升降部、錨鉆部、鉆孔推進(jìn)器、前部支撐、探水鉆機(jī)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖1 所示。巷道掘進(jìn)時(shí)，煤礦用三臂錨桿鉆車與掘進(jìn)機(jī)交替進(jìn)行探測、掘進(jìn)、錨護(hù)作業(yè)，大幅提升了掘進(jìn)支護(hù)效率[2-3]。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

2 主要技術(shù)參數(shù)

工作范圍（寬×高）為5700 mm×4500 mm；總裝機(jī)功率為55 kW；行走方式為履帶式；行走速度為14 m/min；爬坡能力為±16°；鉆臂數(shù)量為3 臺；鉆進(jìn)錨桿、錨索孔直徑分別為22 mm、42 mm；鉆進(jìn)錨桿、錨索孔深度為20 m；鉆進(jìn)錨桿、錨索孔用鉆桿規(guī)格分別為B19、B22；推進(jìn)器推進(jìn)行程為1660 mm；推進(jìn)器推進(jìn)速度為5 m/min。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

三臂錨桿鉆車適用于掘進(jìn)巷道，可實(shí)現(xiàn)探水作業(yè)、鉆孔、錨桿及錨索施工等功能，機(jī)組機(jī)身為窄型設(shè)計(jì)，方便與掘進(jìn)機(jī)掘錨交替作業(yè)。機(jī)組共配套3 臺鉆機(jī)，機(jī)組中部鉆機(jī)與前部支撐支護(hù)外套筒配合使用，可施工巷道迎頭工作面不同位置探水孔，機(jī)身左右兩側(cè)各布置1 臺鉆機(jī)及鉆臂機(jī)構(gòu)，可施工巷道全方位頂板、側(cè)幫錨桿及錨索孔；整機(jī)采用整體升降式工作平臺，前部支撐、中部鉆機(jī)、鉆臂機(jī)構(gòu)均設(shè)置在工作平臺上方，可跟隨工作平臺上下升降，滿足不同高度范圍施工要求，同時(shí)機(jī)組設(shè)有可升降的前部支撐結(jié)構(gòu)，起到臨時(shí)支護(hù)的作用，有效保證作業(yè)人員安全。整機(jī)使用大功率電機(jī)為機(jī)組的液壓系統(tǒng)、機(jī)組照明、瓦斯監(jiān)測等提供動力；液壓系統(tǒng)采用知名品牌的負(fù)載敏感柱塞泵，質(zhì)量可靠，性能穩(wěn)定[4-5]。

3.1 前部支撐

前部支撐位置設(shè)在整體式升降平臺前部中間位置，主要由支護(hù)外套筒、支護(hù)伸縮油缸、支護(hù)內(nèi)套筒、支護(hù)頂梁、支護(hù)支撐油缸等組成，支護(hù)外套筒在支護(hù)支撐油缸的作用下既可以向上撐緊巷道頂板，也可以向前撐緊巷道迎頭工作面，前后角度變化范圍為90°，使巷道頂板支護(hù)與工作面迎頭探水作業(yè)切換方便。當(dāng)進(jìn)行頂板支護(hù)時(shí)，操縱手柄調(diào)整前部支撐動作，使其移至合適的位置撐緊巷道頂板，并將支護(hù)頂梁的內(nèi)套筒向左右伸展出來，滿足大支護(hù)面積的使用要求。前部支撐的主要作用是保護(hù)操作者的安全，起到臨時(shí)支護(hù)的目的?；诖耍瑱C(jī)組進(jìn)行錨桿、錨索作業(yè)時(shí)一定要將前部支撐機(jī)構(gòu)升起，支護(hù)頂梁展開，防止頂板塌陷。前部支撐結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 前部支撐結(jié)構(gòu)

3.2 探水鉆機(jī)

探水作業(yè)是當(dāng)下煤礦安全生產(chǎn)的必要施工工序，本機(jī)組將探水鉆機(jī)設(shè)于前部支撐中間位置，當(dāng)進(jìn)行迎頭探水作業(yè)時(shí)，操縱前部支撐操作閥手柄使前部支撐及探水鉆機(jī)處于水平位置，并將支護(hù)內(nèi)套筒向前伸出，支護(hù)頂梁左右展開，防止迎頭塌陷，保護(hù)作業(yè)人員安全。該探水鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)巖巷、煤巷、半煤巖巷錨桿支護(hù)施工中的探水作業(yè)，探水動力頭內(nèi)的大扭矩液壓馬達(dá)利用壓力油作為動力源，有效地解決了工作時(shí)所需的扭矩與轉(zhuǎn)速，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)推進(jìn)速度和馬達(dá)轉(zhuǎn)速，以保證鉆孔效率；推進(jìn)油缸采用二級伸縮推進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)較大的工作行程；夾持器具有夾緊與松開鉆桿的功能，快速實(shí)現(xiàn)緊固和拆卸鉆桿的目的，方便鉆桿的拆裝與支扶定位；滑動座的圓形滑軌面與滑道的精加工圓鋼面配合，加工成型簡單，保證了鉆孔作業(yè)滑動平穩(wěn)，不卡頓。探水鉆機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 探水鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

3.3 左右鉆臂

機(jī)組左右鉆臂共兩臺，呈對稱分布，可施工頂板錨桿孔，也可施工角錨桿孔、側(cè)幫錨桿孔等，兩臺鉆臂配合作業(yè)、互為補(bǔ)充、互不干涉，大幅提升了錨護(hù)作業(yè)效能。左右鉆臂采用懸臂式結(jié)構(gòu)，左右對稱布置安裝在升降平臺上，主要由鉆孔推進(jìn)器、擺動油缸Ⅰ、擺動油缸Ⅱ、調(diào)整機(jī)構(gòu)、伸縮總成、支撐油缸、回轉(zhuǎn)座、固定座等組成，鉆臂與鉆孔推進(jìn)器連接，通過兩者共同配合，完成鉆孔及緊固錨桿錨索動作，實(shí)現(xiàn)的動作主要有鉆臂上下升降、臂身向外回轉(zhuǎn)、鉆臂伸縮總成前后伸縮、推進(jìn)器左右旋轉(zhuǎn)、推進(jìn)器前后旋轉(zhuǎn)等。鉆臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 鉆臂結(jié)構(gòu)

3.4 升降平臺

機(jī)組機(jī)體部上方設(shè)有整體式升降平臺，主要由后升降油缸、升降平臺、四連桿機(jī)構(gòu)、前穩(wěn)定機(jī)構(gòu)、前升降油缸、擺動油缸、翻板等組成，前后二級升降油缸伸縮，配合四連桿機(jī)構(gòu)和前穩(wěn)定機(jī)構(gòu)動作，升降平臺可實(shí)現(xiàn)高度方向0～1 m 行程范圍的平穩(wěn)升降，能較好地滿足操作人員不同高度范圍支護(hù)作業(yè)的要求；同時(shí)升降平臺兩側(cè)翻板在擺動油缸的作用下可左右展開，寬度可達(dá)3.1 m，翻板上表面采用防滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了人員的站位安全及站位面積需求。升降平臺結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 升降平臺結(jié)構(gòu)

3.5 電氣系統(tǒng)

機(jī)組電氣系統(tǒng)主要由真空電磁起動器、三相異步電動機(jī)、LED 照明燈、急停按鈕、隔爆電鈴、甲烷斷電儀及各電纜組成，電氣系統(tǒng)通過真空電磁起動器控制油泵電機(jī)的起停，整機(jī)具有安全可靠回路保護(hù)功能。

3.6 液壓系統(tǒng)

機(jī)組液壓系統(tǒng)是由泵站、油箱、操縱臺、液壓油缸、擺動馬達(dá)、閥組及相互聯(lián)接的管路組成。整機(jī)的泵站是由一臺55 kW 三相異步電動機(jī)，驅(qū)動一臺負(fù)載敏感柱塞泵，經(jīng)比例換向閥，將壓力油分別推送給各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來完成各部件的動作。液壓系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）驅(qū)動行走馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動機(jī)組實(shí)現(xiàn)行走；

2）實(shí)現(xiàn)鉆臂部的升降、伸縮及鉆孔推進(jìn)器的各種動作；

3）實(shí)現(xiàn)升降平臺、前部支撐的升降；

4）實(shí)現(xiàn)探水鉆機(jī)各種動作，提供施工鉆孔時(shí)所需的動力。

4 煤礦用三臂錨桿鉆車特性介紹

煤礦用三臂錨桿鉆車適用于掘進(jìn)工作面探、鉆、錨施工作業(yè)，解決傳統(tǒng)探放水設(shè)備種類多、配置人員多、施工效率低、作業(yè)不安全的現(xiàn)實(shí)難題。機(jī)組中部機(jī)載式大扭矩探水裝置可實(shí)現(xiàn)巷道迎頭斷面探放水孔機(jī)械化施工，解決探放水效率低和錯(cuò)機(jī)輔助時(shí)間長的問題；左右鉆臂相互獨(dú)立，互不影響，可互相協(xié)調(diào)配合、平行作業(yè)，提升錨鉆效能，節(jié)省大量輔助時(shí)間。前部支撐主要作用是機(jī)械托網(wǎng)及保護(hù)作業(yè)人員在空頂下的安全，起到臨時(shí)支護(hù)的作用。

該機(jī)具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：大扭矩探水鉆機(jī)可進(jìn)行迎頭探水孔、炮眼孔、瓦斯孔等施工作業(yè)，探水施工與錨桿孔施工相互獨(dú)立，互不影響，最大鉆孔深度可達(dá)120 m；機(jī)組左右鉆臂可平行作業(yè)，滿足巷道全斷面錨桿、錨索施工工藝要求，可大大縮短支護(hù)時(shí)間，提升支護(hù)效率；機(jī)組采用可伸縮機(jī)載式前部支撐，支護(hù)效果更好，可改善工人作業(yè)環(huán)境的安全性；機(jī)組采用整體式升降平臺，配合四連桿與前穩(wěn)定機(jī)構(gòu)動作，升降平穩(wěn)，方便作業(yè)人員根據(jù)不同的巷道高度對平臺進(jìn)行調(diào)整，適應(yīng)面廣；平臺左右兩側(cè)分別配套可展開的翻板，有效增加作業(yè)人員站位面積。

5 實(shí)際應(yīng)用效果分析

本煤礦用三臂錨桿鉆車與掘進(jìn)機(jī)配合作業(yè)，工作時(shí)，首先煤礦用三臂錨桿鉆車進(jìn)行掘前探測孔施工，探測孔施工完畢后進(jìn)行掘、錨交替循環(huán)作業(yè)，掘、錨循環(huán)交替作業(yè)具體流程如下：掘進(jìn)機(jī)行至工作面割煤，切割成巷，割煤一定距離后，掘進(jìn)機(jī)后退至錨桿鉆車后方靠幫停機(jī)，緊接著，煤礦用三臂錨桿鉆車移至工作面對巷道頂幫進(jìn)行全斷面錨桿、錨索支護(hù)，支護(hù)完畢后，鉆車退至掘進(jìn)機(jī)后方靠幫，如此循環(huán)作業(yè)，完成巷道快速掘進(jìn)；煤礦用三臂錨桿鉆車自2021 年11 月開始進(jìn)行井下工業(yè)性試驗(yàn)，巷道寬度為5.6 m、高度為4.5 m，頂錨桿每排6 根，排距1 m，幫錨桿左右各4 根，錨桿長度為2.4 m，錨索工藝為2-1-2 布置形式，錨索長度為8.3 m，每班3 人工作支護(hù)，單班最高日進(jìn)尺達(dá)到7 m，最高月進(jìn)尺達(dá)到210 m，日均進(jìn)尺由原來的5 m 提升至7 m（每月按30 d 算），掘進(jìn)速度大幅提高。同時(shí)，對鉆車進(jìn)行了探水功能試驗(yàn)，探水鉆機(jī)在迎頭工作面進(jìn)行探水孔施工，每次探水打5 個(gè)眼，使用鉆桿的直徑為42 mm、長度為800 mm，鉆頭直徑為65 mm，探水鉆孔施工鉆進(jìn)100 根鉆桿，共鉆進(jìn)距離80 m，每個(gè)探水眼約施工5 h，共用時(shí)25 h，可滿足掘前探測施工要求。

5 結(jié)語

本煤礦用三臂錨桿鉆車屬于掘進(jìn)后配套裝備，與掘進(jìn)機(jī)配合使用，適用于礦山巷道掘進(jìn)工作面的支護(hù)機(jī)械化作業(yè)。本鉆車鉆進(jìn)功能全面，機(jī)組靈活可靠，既可進(jìn)行探水鉆孔作業(yè)，也可施工全斷面錨桿錨索孔，三個(gè)鉆機(jī)可隨升降平臺上下升降，滿足不同高度范圍機(jī)械化施工要求，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用、多功能集成，減少了設(shè)備數(shù)量，有效提升了礦井生產(chǎn)的單進(jìn)水平，降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，達(dá)到減人增效的目的，為國內(nèi)煤礦快掘快支系統(tǒng)的研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。