大断面横轴式掘锚机钻锚系统的设计与应用

张 星，巩孔正，周建龙

（西安煤矿机械有限公司，陕西 西安 710200）

引言

掘进是煤矿生产的核心环节之一，对矿井安全、生产布局和开采效率影响重大。煤巷、半煤岩巷的掘进约占煤矿巷道总工程量的70%，随着重点煤矿高效集约化的深入，对巷道掘进进尺需求大幅增加。煤矿掘进面临采掘失调、接续紧张、掘进队伍庞大、安全管理难度大等突出问题，已成为制约矿井安全、高效、集约化生产的共性关键问题。

掘锚机组是适用于高产高效矿井煤矿巷道快速掘进的掘锚一体化设备，与连续采煤机和锚杆钻车交叉换位施工相比，掘锚机组将掘进截割与锚杆支护有机地组合起来，减少掘进与支护设备的换位作业时间，在同一台设备上完成掘进和支护工艺，适用范围广，支护效果、掘进工效进一步改善，被誉为煤矿巷道掘进的一次技术革命，其掘锚一体化技术在煤矿巷道快速掘进、提高锚杆支护效果及促进安全生产等方面具有很大的优势[1]。

1 大断面掘锚机的总体设计

如图1所示为大断面掘锚机总体设计图。掘锚机主要由截割机构、装载机构、运输机构、滑台机构、本体机构、钻锚机构、超前探钻机、临时支护系统、液压系统、除尘系统、电控系统、水系统及润滑系统等组成，可配套锚杆锚索支护台车、带式转载机、自移机尾、智能控制中心等，实现掘进面的截割、支护和割落煤岩的连续运输等要求，建设掘锚同步、分段支护、连续转运、高效除尘、集控与协同控制等功能于一体的智能化快速掘进系统，促进安全、高效、智能、快速掘进[2]。

根据小保当煤矿的需求，定制研发适应于大断面胶运顺槽（截割断面宽度6.5 m、高度4.3 m）的掘锚机，相关参数要求如下：截割宽度6～6.5 m、高度3～4.65 m，截割功率300 kW，地隙210 mm，接地比压0.28 MPa，钻锚系统顶钻2部+帮钻2部，系统压力25 MPa，喷雾+泡沫除尘，隔爆兼本质安全型电控系统。

图1 大断面掘锚机总体设计

2 钻锚系统的设计

根据小保当煤矿赋存地质条件下的快速掘进装备与支护工艺要求，对于掘锚机钻锚系统的技术要求如下：

1）掘锚机锚杆钻机布置为顶钻2部+帮钻2部，顶钻与帮钻间隔2 m。

2）正常情况下左顶锚钻机完成MG6、MG7的锚杆，右顶锚钻机完成MG11、MG12的锚杆；顶板不稳定情况下，尽可能满足大范围顶锚杆支护。

3）左帮锚钻机完成MG4、MG5的锚杆，右帮锚钻机完成MG13、MG14的锚杆。

4）其余的锚杆和锚索由后续的支护台车来完成，从而实现分段支护、多钻机并行作业，进一步提升掘进效率。如下页图2所示为小保当煤矿胶运顺槽断面支护工艺图。

2.1 顶锚钻机的设计

根据矿上顺槽断面支护工艺要求,顶锚杆钻机需实现左右滑移、左右摆动、前后摆动、钻进等功能要求，以符合实际顶锚杆支护作业的具体要求[3]。如下页图3所示为左顶锚钻机结构图。

图2 小保当煤矿胶运顺槽断面支护工艺（单位：mm）

图3 左顶锚钻机结构

左右顶锚钻机设计为中心对称机构,基座固定在掘锚机的本体架上，滑架可在基座上通过推移油缸来带动钻机左右移动，行程1 000 mm；钻机安装座与滑架铰接，通过前后摆动油缸，实现钻机安装座和钻机前后摆动±5°；钻机与钻机安装座铰接，通过左右摆动油缸，实现钻机向外侧最大摆动15°、内侧摆动5°，从而使顶锚杆钻机具备多自由度要求，实现顶锚钻机在宽度方向3 440～5 440 mm的范围内垂直于顶板的顶锚支护；根据需求进行有角度顶锚支护，可实现距巷道中心线500 mm到侧帮3 250 mm的支护范围。

初始位置时，设计的顶锚钻机钻箱出口、撑顶机构分别距离基座底面710 mm、2 400 mm，钻箱行程3 220 mm、撑顶机构行程1 580 mm，即顶锚钻机最大支护高度可达4 670 mm，可适应顶板较破碎或有冒落等情况下的支护要求。

2.2 帮锚钻机的设计

根据矿上顺槽断面支护工艺要求，侧帮锚杆钻机的功能需实现上下升降、上下回转和钻进等功能要求，以符合侧帮锚杆作业的具体要求。如图4所示为左侧帮锚钻机结构图。

左、右两侧帮锚钻机设计为中心对称结构，固定座安装在主机基座上，滑架升降油缸使滑架沿着固定座上的导向槽上下移动，同时可带动侧帮钻机升降；滑动座由滑架导轨导向，并由倍速机构实现钻机在滑架上2倍行程的升降；帮锚锚钻机和滑动座通过螺旋摆动油缸连接，实现帮锚钻机180°范围内的旋转。

图4 左侧帮锚钻机结构

通过滑架升降油缸和倍速机构的联合作用，使帮锚钻机达到2 350 mm的升降范围，实现垂直于侧帮的锚杆作业高度距离底板为1 770～4 120 mm，可完全实现锚杆支护工艺中左右侧帮上部3根帮锚的施工。

3 掘锚机控制流程设计

掘锚机执行动作繁多，作业流程复杂，控制系统为负载反馈的电液控制系统，有利于实现相关作业工序或流程的自动控制和功能闭锁，避免误操作引发事故。

掘锚机作业工序主要分为截割与锚护、移机；按控制模式设计为行走模式与锚护模式，操作流程要求如下：

1）当截割与锚护完成后，按下锚杆完成按钮、再通过左右两侧的辅助按钮+临时支护下降按钮，降下临时支护；

2）切换到行走模式，行走电机启动，设置延时后支撑和铲板自动升起，同时操作行走闭锁按钮及左右行走手柄，设备方可行进；

3）当前进到位后，放下后支撑和铲板，再通过左右两侧的辅助按钮+临时支护上升按钮，撑起临时支护；

4）切换到锚护模式，行走不能动作，截割、锚护、运输机升降与机尾摆动等功能方可执行动作，实现掘支锚运一体化作业，同时极大地提高了各作业流程和功能间的安全性。

4 应用

首台研发的大断面横轴式掘锚机，用于小保当煤矿112208胶运顺槽长度为5 594 m，其设计在2-2煤层中，该煤层赋存于延安组第四段顶部，平均煤厚5.55 m，以厚煤层为主，采用沿底掘进方式，并预留300 mm的底煤。

经过初步应用，日进尺20 m，操作安全性高，故障率小，能够掘锚同步；并且钻锚高效快速，钻孔位置准确；经过后期磨合，预计可稳产50 m/d以上，达到快速掘进的设计目的。新研发投入的国产大断面横轴式掘锚机，可有效降低我国在大断面煤巷快速掘进装备方面对国外产品的依赖，降低整机购置、配件及服务成本、缩减配件工期；同时提升了我国高端煤机研发与制造的技术水平，对于智能煤矿、智慧矿区的建设起到技术与装备支撑。