全液压锚杆锚索钻车的研发与工业性试验

李 丽 贾清华

（1.大同煤矿集团有限责任公司晋华宫矿机电科，山西省大同市，037016；2.大同煤矿集团有限责任公司同大科技研究院机电所，山西省大同市，037003）

1 引言

我国煤矿多数是以井工开采为主，掘进与支护工程量都较大。目前，煤矿巷道开拓主要是采用综合机械化掘进机与手持式单体锚杆钻机相配套，但施工速度缓慢，存在掘进快和支护慢的问题。支护时间占每个循环作业时间的2／3，影响煤巷快速掘进，采掘接续紧张，严重地制约了工作面产量的提高。因此，提高煤矿巷道成巷速度的有效措施是锚杆支护的快速施工及缩短支护时间，而提高锚杆支护速度的主要途径如下：

（1）提高锚杆支护施工的机械化程度；

（2）优化施工机具（开发大扭矩锚杆钻机以提高锚杆预紧力）；

（3）在巷道断面尺寸允许的条件下，配置2台甚至多台锚杆钻机同时作业，尽量安排顶板锚杆和帮锚杆同时作业。

同煤集团塔山煤矿是一个新建千万吨级矿井，为尽快投产带来效益，综采采区先投入生产，而盘区准备的回采巷道的掘进就一直难以跟上，这也就造成了采掘难以正常接替、通风路线长以及巷道维护成本大等问题。目前同煤集团塔山煤矿正在准备的有一盘区和二盘区，有11个掘进队，其中6个队直接为综采工作面服务，5个队负责延伸盘区巷道，正在生产的有综采一队的8107工作面和综采二队的8212工作面。8212工作面目前已进入末采期，再过最多5个月就要生产完毕，而后续接替的8108工作面和8214工作面至少还得5个月才能掘好，而安装设备调试最快也得45 d左右，这样采掘接替非常紧张，矿井设计的年产量就难以实现。为此必须要加快接替工作面回采巷道的掘进速度，而掘进速度又在很大程度上受支护速度的限制。所以本项目提出掘进与锚杆锚索支护交叉作业，而关键设备为锚杆锚索钻车，这样掘进机与锚杆锚索钻车在掘进头快速交叉掘进与支护，可以达到较高的掘进速度和较好的支护效果。

2 项目概述

同煤集团塔山煤矿位于大同市南郊区及怀仁县境内，地质构造复杂，断层较多，煤岩变化频繁，煤层结构复杂，煤层厚度为3.10～11.58 m，平均厚度为8.62 m。煤层中含1～10层夹矸，夹矸厚度在0.30～2.65 m 之间变化，平均厚度为1.44 m，夹矸单层厚度为0.04～0.64 m 之间变化。夹矸岩性为灰黑色高岭岩、高岭质泥岩及炭质泥岩，局部夹有深灰色砂质泥岩。鉴于特殊的地质情况，原有的掘进机很难适应，根据这一特点引进了EBZ－260H和EBZ－260B型大功率掘进机，从而大大地提高了割煤速度，但是在巷道掘进作业整个循环中，使用原有的支护方式其时间占到了2／3以上，严重制约了快速掘进速度，为此研发了CMM2－15型全液压锚杆锚索钻车并进行了井下工业性试验。

3 工业性试验目的

通过井下工业性试验，考核CMM2－15型全液压锚杆锚索钻车的各项技术参数和性能是否达到原设计指标，能否满足使用需求，验证锚杆锚索钻车的工作可靠性及与掘进机配套的合理性，找出在使用过程中的薄弱环节，以待改进与提高。通过本次工业性试验，对CMM2－15型全液压锚杆锚索钻车的适应性和可靠性进行综合评价，同时掌握第一手现场测试资料，有利于对设备进行进一步完善，制定更为合理的操作制度和规程，为设备的最终定型和推广使用提供科学依据。

4 主要技术参数

CMM2－15型全液压锚杆锚索钻车主要技术参数如下：钻臂数量为2台、适应巷道断面约为12～22 m2、工作范围宽为4600～5500 mm、高为2600～4000 mm、外形尺寸（长×宽×高）为5600 mm×1300 mm×2020 mm、最小转弯半径为2500 mm、稳车工作宽度为1300 mm、最小对地间隙为200 mm、接地比压为0.10 MPa、钻进锚杆锚索孔为ø27 mm、钻进锚杆锚索孔深度0～18 m、钻进锚杆锚索孔用钻杆规格为B19 mm、钻进炮孔为ø42 mm、钻进炮孔用钻杆规格（麻花钻）ø40mm、钻进炮孔深度0～10 m、探测孔ø27～ø48 mm、探测孔深度为（水平）（f＝3～8）50 m、总装机功率为45 k W、机重约为16 t。

5 结构概述及产品特点

根据井下完成作业的种类和性质，CMM2－15型全液压锚杆锚索钻车设计为自移动机械臂式，钻车具备行走机构、推进和钻孔机构、钻臂机构、工作台升降机构、前部支撑机构等五大基本机械功能组件，并依靠液压系统和电气系统完成驱动，锚杆锚索钻车结构示意图如图1所示。

图1 锚杆锚索钻车结构示意图

行走机构用于钻车在巷道内自由移动，以协调和掘进机的空间分配；推进和钻孔机构用于钻孔的作业和推进，同时提供旋转和推进两种运动；钻臂机构用于完成对钻孔机构的空间支配，以保证多角度、不同高度的作业；工作台升降机构可以使钻车适应于不同高度的巷道作业；前部支撑机构可保护作业人员的人身安全。

工作时，锚杆锚索钻车先在巷道内移动调整车位，停稳后工作台升降机构先进行高度调整，然后升起前支撑，最后调整转臂和钻孔机构进行作业。CMM2－15型全液压锚杆锚索钻车由1台45 k W防爆电机驱动1台三联齿轮泵，完成整体的驱动和作业。该车能够实现多角度作业，整机外宽为1.3 m，能灵活地在巷道内移动且不影响掘进机正常工作。

6 工业性试验

6.1 试验地点及条件

CMM2－15型全液压锚杆锚索钻车用于同煤集团塔山煤矿2108掘进工作面，2108巷停采线以外为矩形断面，长度为51.81 m，掘进断面为宽×高＝5.5 m×3.6 m ＝19.8 m2，正常段净断面为宽×高＝5.26 m×3.38 m ＝17.78 m2，喷浆120 mm，强度C20，铺底100 mm，混凝土强度C20。停采线以内为矩形断面，掘进断面为宽×高＝5.5×3.6＝19.80 m2，正常段净断面为宽×高＝5.3 m×3.4 m ＝18.02 m2，铺底100 mm，混凝土强度C20，矩形断面总长度为2771.43 m。支护顺序如下：

（1）顶部：前探支护→铺 “W”型钢带→铺网→打锚杆眼→上树脂药、锚杆→上锚杆托板→拧螺母→打锚索眼→上钢梁、锚索→上锚索托板、锁具→打压。

（2）两帮：打眼→上树脂药、锚杆→挂网→上钢护板→上锚杆托板→拧螺母。

6.2 试验项目

6.2.1 锚杆锚索钻车巷道支护井上试验

为了避免钻车直接下井试验的盲目性，同煤集团塔山煤矿组织钻车售后服务技术人员安排了为期1个月的井上支护试验，即在同煤集团塔山煤矿井上材料场，将巷道断面及支护形式以1∶1的比例焊接为3排锚杆2个排拒的整体钢梁框架，锚杆的间距也与井下实际相同，然后进行钻孔作业模拟试验。分别进行了模型架和工作平台的操纵阀试验、临时支撑机构的支护及打帮锚杆作业试验、打顶锚杆及钻臂变位帮顶锚杆同时作业试验，试验结果达到了生产现场需求。

通过锚杆锚索钻车的井上操作训练，了解了该钻车的性能和稳定性，提高了井下技术员工对该钻车整机的认识和钻固定角度眼的熟练度，经过训练工人可以按最佳操作时序以相对稳定的时间钻眼，工人之间的协作配合默契程度提高了，提高了工人对各种问题的处理能力，达到了较好的训练效果。

6.2.2 锚杆锚索钻车井下支护作业

（1）掘进机掘进和后退。在掘进机落煤后，对煤岩进行装运并清理浮煤后，让掘进机退出掘进头10 m左右。

（2）锚杆锚索钻车前进进行锚网和临时支护作业。利用左工作平台向左变位，将锚杆锚索钻车左钻臂摆在钻车前滑动横梁（长1800 mm）的最左侧位置（此时 “W”钢带的中心孔与右钻车打钻水套应同心），同时右工作平台向右变位，将右钻臂摆在锚杆锚索钻车前滑动横梁（长1300 mm）的距最右侧约850 mm的位置，停靠位置可利用放置在超前临时支撑机构上的 “W”钢带上预置锚杆孔进行定位停车。然后将预先捆绑好的钢带和护网横向放置在锚杆锚索钻车的超前临时支撑机构上，随即利用二级油缸升起超前临时支撑机构，调整好钢带及锚杆锚索钻车的位置后顶住顶板。

（3）顶板和侧帮支护作业。通过工作平台升降左右伸展，锚杆锚索钻车左右钻臂依次同时对顶板的6根顶锚杆孔进行钻进以及锚杆支护作业，钻进顺序可以为由中间向两帮，也可以由两帮向中间，还可以由左至右或由右向左逐次每隔两个锚杆眼钻孔及锚杆支护作业。完成顶板锚杆支护作业后，调整钻车工作平台高度，并对钻臂进行变位，由上至下完成巷道两帮及底角锚杆的钻孔以及支护作业。

（4）巷道支护完成进行锚固质量检测。完成上述作业后，左右钻臂同时收回，超前支撑机构收回，工作平台下降，开动钻车行走装置向前行驶，进行定位停车，开始进行下一排的锚杆支护作业。两排支护作业完成后钻车恢复原始状态，向后行驶退出掘进工作面15 m以后靠帮停靠，掘进机相关装备进入工作面进行下一循环的割煤掘进作业，最后安检人员做好锚固质量的检测。

7 效益分析

7.1 社会效益

（1）提高巷道临时支护可靠性。该钻车解决了煤矿巷道掘进的临时支护难题，保证了巷道顶板的稳定，促进了巷道掘进工艺的改革，提高了掘进工作效率。临时支护利用锚杆锚索钻车的前部支撑机构进行锚网的支撑和临时支撑前方新掘的顶板，有效防止顶板冒落，保护操作者的人身安全，试验期间未发生顶板事故，避免了窝工和人员伤亡。

（2）大幅度提高巷道永久支护机械化水平。该钻车利用双钻臂可以同时钻进，提高了采用锚杆、锚索、锚网及钢带进行永久支护的效率，减轻了工人的劳动强度，在钻车的掩护下有利于安全作业，而且锚固力达到标准要求能从根本上加固围岩，采用锚杆锚索钻车使巷道永久支护的机械化水平迈上了一个新的台阶。

7.2 经济效益

7.2.1 国产化经济效益

国产锚杆锚索钻车的价格约是进口锚杆锚索钻车的1／3（进口价格大约150万元左右），另外锚杆锚索钻车的备品配件、维护保养、培训指导等费用也是很可观的。而更重要的是通过自主研发和工业性试验，形成具有自主知识产权的研究成果和产品，不仅可广泛用于我国煤矿井下综采技术配套，而且可广泛参与国际竞争，在国际市场上占据一定的份额，形成具有一定国际影响的掘进技术与装备。

7.2.2 直接经济效益

（1）采用锚杆锚索钻车作业线后，每班可以减少2名锚杆工，三班就可减少人员6名，按塔山矿井下工人平均每月工资6000元计，每月可减少工资投入3.6万元，单个掘进面每年就可减少43.2万元，起到了减员增效的作用。

（2）采用锚杆锚索钻车进行支护后，锚杆锚索的锚固力比采用锚杆钻机大为提高，接近200 k N，从而间接地减少了巷道的维护费用，在巷道使用期内变形较小（在允许范围内），单个巷道每月维护费用可减少大约30元／m，巷道每月维护费用就可减少9万元，在10个月内的使用年限内可减少维护费用90万元。

8 结语

CMM2－15型全液压锚杆锚索钻车总体研究成果处于国内外先进水平，提高了我国综合机械化掘进水平和掘进速度。窄机身锚杆锚索钻车解决了掘进机和锚杆钻机在巷道内错车的问题，降低了对巷道宽度的要求，使大多数中窄宽度以上的巷道都可以实现综合机械化掘进作业，大幅度提高了工作效率和作业水平，减少了人力投入，并保障了作业人员的人身安全。

从2012年10月10日至2013年8月10日，在同煤集团塔山矿2108掘进工作面对CMM2－15型全液压锚杆锚索钻车进行了为期10个月的工业性试验，详细测试了设备的各项运行参数。经过实际运行，该锚杆锚索钻车在结构、强度、操控性、可靠性、维护性等方面都达到了设计和现场使用要求，能满足井下安全有效的生产需求。

［1］陈志国.提高巷道掘进单进的技术途径 ［J］.中国煤炭，1997（6）

［2］马有财.塔山矿全液压锚杆钻车的开发与应用 ［J］.煤炭工程，2011（1）

［3］祁玉宁.新型锚杆钻车的研制及应用 ［J］.煤矿机械，2012（12）

［4］窦晓峰.岩巷机械化作业线快速掘进施工研究 ［J］.煤炭与化工，2013（10）

［5］文国臣.锚杆钻机变幅机构运动学及动态特性的研究与优化 ［D］.中南大学，2013

［6］巩礼晓.掘进巷道钻孔及锚索安装装置的研究 ［D］.山东科技大学，2011（4）