掘锚一体化装备现状与发展趋势*

马昭

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

采掘协调一直是煤炭生产过程中关注的重要问题，特别是采煤综合自动化、信息化发展以来，采煤工作面推进速度不断加快[1]。而巷道掘进速度严重滞后于采煤速度，一般煤矿需要4～5个掘进工作面确保1个综采工作面正常生产，导致采掘接替困难。工作面巷道的掘进速度成为制约大多数矿井高产高效的主要因素[2]。一般巷道掘进中采用悬臂式掘进机与人工单体锚杆钻机顺序作业，掘后即锚，导致掘锚不能平行作业。锚杆支护时间占到巷道掘进时间的 60%左右，支护人员占到60%以上，造成掘进效率低下。因此，有必要研究满足掘锚平行作业和掘锚集成顺序作业的掘锚一体化装备，从而缩短锚护作业循环时间，提高掘进机开机率和进尺率。近些年，国内外相继开发了适用于煤巷稳定顶板的掘锚联合机组及掘进机机载锚杆钻机，在快速掘进方面应用效果良好。因此，发展掘锚一体化技术是巷道快速掘进的必然要求[3]。

1 掘锚一体化装备现状

1.1 掘锚机组

掘锚联合机组(Bolter-Miner)是20世纪80年代中、末期为适应综采工作面快速推进的要求而研制的一种煤巷快速掘进和锚杆支护新型技术装备[4]。1990年奥地利Voest Alpine公司根据澳大利亚煤矿的经验，研制开发出ABM20掘锚机组，主副机架能够相对滑动，解决了掘锚平行作业问题。该机安装4台顶板锚杆钻机、2台帮锚杆钻机及临时支护装置。1992年改型为ABM30掘锚机组，将截割和装运机构的能力加大，减少了锚杆钻机台数。1992年，英国Anderson公司研制出KBII掘锚机组，其结构和特点与ABM20掘锚机组的大致相同。

掘锚一体机按作业方式可划分为两类：一类是同时实现掘锚作业的掘锚一体机，代表机型有ABM20、KBII等系列；另一类是先截割后支护的掘锚一体机，如12BMl8、12CMl5等系列掘锚机。这些掘锚机机重约60～70 t，装机功率500～580 kW，最大可掘断面18 m2。其共同的特点是在截割部后面加装了几台锚杆钻机，截割机构和铲板固定在套筒式滑动机构上。割煤时，截割部和铲板可以一起向前伸缩进给，不需要履带行走机构进刀，截割滚筒和锚杆钻机可以同时工作，互不干涉。因此，在截割煤岩时，锚杆钻机可同时进行锚杆的打设，基本实现掘锚平行作业。截割滚筒由3部分组成，其左、右端滚筒均可利用液缸伸缩。装载部呈“T”型结构，左、右两台集煤刮板机各自利用液压马达驱动向中央刮板运输机运煤。这种结构设计有效缩短了装载部长度，利于锚杆钻机更靠近煤壁。机载4台顶板锚杆钻机和2台侧帮锚杆钻机，在掘进的时候同时可打顶部和帮锚杆，提高了成巷效率。

国内对掘锚机组的研究仍处于起步阶段。2016年中国煤炭科工集团太原研究院有限公司(简称太原研究院)研制出EJM340/4-2掘锚一体机，如图1所示。该装备机重100 t，整机功率742 kW，截割功率340 kW，截割高度3.2～5.0 m，截割宽度5.7 m，机载6台锚杆钻臂，可实现连续转载破碎、锚索施工过程中的全自动钻孔、侧帮底部锚杆支护等。在工作时掘进与支护同时作业，采用大功率低转速的截割滚筒，使截割过程中产生的粉尘降至最低。截割头掏槽和截割都由微机控制，使截割循环及电动机工作负载最优化。其具有负载压力复制的负载敏感比例多路阀，提高了液压系统响应速度和反馈信号精度。采用的掘锚机组超前同步推进式临时支护系统，跟随截割同步前移，将空顶距由1.2 m减至0.4 m，为安全掘进提供了保障。

图1 EJM340/4-2掘锚一体机

巷道掘进是一项复杂的系统工程。掘锚机组虽具有6个钻臂，但对提高掘进效率有限。近年来，太原研究院开展了掘锚机为龙头的煤巷高效快速掘进技术研究，形成了“掘支运三位一体煤巷高效掘进系统”系列化成套装备，包括掘锚机组、履带式转载破碎机、八臂锚杆钻车、锚杆转载破碎机组、可弯曲胶带转载机、迈步式自移机尾等配套设备。该系统将传统的掘进、运输、支护有机整合在一起，有效解决了掘进、支护、运输等的同步进行等问题，实现了掘锚运连续平行作业[5]。在掘锚机掘进的同时，后配套八臂锚杆钻车可同时进行多根锚杆的打设。该系统在神东矿区大柳塔煤矿快速掘进系统完成进尺3 088 m，实现了稳定顶板条件下掘锚同步作业。

1.2 掘进机机载锚杆钻机

基于悬臂式掘进机的掘锚一体化装备是针对不同的地质条件而开发的，适用范围广，可用于煤、半煤岩及岩巷，在复杂的顶板条件下也可使用。采用不同形式的单臂或双臂锚杆钻机与掘进机有机集成，实现掘后即锚，掘进和支护顺序作业。液压锚杆钻机可遥控手动操作，不但减轻了单体锚杆钻机工人的劳动强度，而且提高了钻孔效率。掘进机掘锚一体化方式包括：集成在履带左右两侧推进机构的双臂机载锚杆钻机系统；布置在机身左右两侧或上部的滑轨式机载钻机系统；跨骑在掘进机截割部双臂的锚杆钻机系统[6]。

集成在履带左右两侧推进的掘进机的钻臂系统如图2所示。伸缩机构通过固定架安装在履带上，左右两侧的伸缩臂通过油缸伸到迎头，钻机铰接在前部的横梁上面，可以左右移动，也可以旋转打设带一定角度的锚杆。该机的优点为掘进机截割时钻机收回到整机侧面后部，不影响截割；其缺点是钻机安装在履带两侧，整机较宽，需要较宽的断面才能适应。

图2 掘进机履带两侧配套锚杆钻机

跨骑在掘进机截割部两侧的可翻转钻臂系统过一个伸展架铰接在掘进机截割悬臂的两侧，形成一个稳定的刚性“U”型框架。钻机铰接在伸缩横梁上，可沿巷道宽度方向伸缩移动，以适应不同间距锚杆的打设，如图3所示。两组油缸推展至迎头并调节钻机的工作位置。该机的优点为不影响掘进机整机宽度，对巷道宽度的适应性较强。但是整机较高，而且会影响掘进机割煤时司机的视线，且整套系统质量较重，造成掘进机头重脚轻，影响整机重心。

图3 掘进机配套跨骑式锚杆钻机

国内主流的掘锚一体化装备为布置在机身两侧的滑轨式机载锚杆钻机，如图4所示。轨道采用压板框架式结构，槽形内置上板两侧平面为推进机构的滑动轨道，在滑道上安装基座,基座上部安装可伸缩的钻臂系统。基座通过齿轮齿条或者油缸链条的倍增机构驱动，也有使用减速器带动链轮驱动使基座在滑轨上前后移动。钻臂系统由伸缩梁、旋转机构和推展机构组成。伸缩梁把钻机送入空顶区，然后由伸缩机构和推展机构协调动作，使钻机对准眼位，从而实现锚杆孔的打设和锚杆安装。操作台固定在钻架旁边，也可以使用遥控操作钻机。

掘锚一体机实现了掘锚顺序作业，降低了工人劳动强度，提高了单孔的钻孔效率，尤其是打单根锚索效率[7]。一般情况下，打锚索可节约50%左右的时间。但是一般机载锚杆钻机只有2个钻机同时工作，如果人工打锚杆的话，至少需要4人同时工作，总体效率比人工作业的效率低。其次，掘锚一体机体积较大，只能在大断面巷道使用。在锚网、锚索联合支护条件下支护工艺复杂，铺网、锚索支护没有实现自动化。在大断面巷道掘进中一次不能对顶、帮锚杆进行安装，需要停机安装锚杆，多数机组只能掘进矩形断面巷道。锚杆钻机离煤壁的控顶距仍然偏大，对破碎顶板的巷道适应性差。

图4 掘进机机载轨道式锚杆钻机

2 掘锚一体化发展趋势

2.1 掘锚集成与系列化

掘锚一体化技术是建设高产高效矿井的关键。掘锚一体化不应该是掘进机与锚杆机的简单叠加，而是通过结构的优化设计进行合理的集成，成为一个有机的整体。掘锚一体化设备配套后应尽量减小对掘进机主机的影响，增加锚杆钻机后不影响主机的正常维检，可以适应较小的巷道断面，结构简单灵活，钻孔对眼准确方便，钻眼稳定。在对巷道进行有效支护的基础上，最大程度地发挥装备的整体性能。

掘锚一体化装备应根据不同的地质条件进行系列化设计，提高掘进机截割性能的同时，提高锚护效率，并扩大其应用范围，以保证掘锚机的先进性和实用性。这样才能更好地满足市场需求并推动煤矿机械的发展。

2.2 研制集成多臂锚杆钻机的掘锚一体机

现有的人工打锚杆的普遍方法是当掘进机作业完成后，后撤3～5 m，然后将单体锚杆机人工移至工作面，连接管路、启动锚杆机进行打眼、安装等工作。支护工作结束后，退出单体锚杆机，再进行掘进。其存在的主要问题为掘进机开进退出非常频繁，锚杆机依靠人工搬运，造成辅助作业时间长、占用人员多、掘进效率低、工作环境差、工人劳动强度大。

滚筒式掘锚机组是将掘进与支护有机地组合起来，缩短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。但其只适用于稳定顶板，而且价格昂贵、控顶距大，需要在大断面巷道中才能工作，难以推广。

目前的悬臂式掘进机机载锚杆钻机，一般具有双臂和单臂机载钻机，提高效率有限，而且缺少临时支护。研制具有临时支护集成多臂锚杆机的悬臂式掘锚一体机，实现多根锚杆的同时打设，而且互不影响，既可解决迎头的安全问题，又可实现掘锚平行作业。

3 结语

掘锚一体化应根据地质条件的差异性使用不同的装备。在顶板条件好的煤巷掘进中使用掘锚机组。在其他复杂地质条件下发展悬臂式掘进机集成钻臂系统。首先，要提高钻机本身的性能及与掘进机的合理匹配，还要兼顾每个工序的作业时间，在缩短支护作业时间的同时，提高设备利用率。此外，根据掘进工艺及施工组织方式，研发掘进机机载多臂钻机，实现临时支护与永久支护相结合的方式，从而提高成巷速度。