全自动锚杆钻车研制与噪声测试*

杜善周， 康鹏

(1. 国家能源集团 神东煤炭集团， 陕西 神木 719300；2. 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

随着巷道掘进速度的提高和井下操作人员安全意识的加强，对顶板和侧帮维护的操作方式、工序时间及安全性提出了新的要求。以目前广泛使用的人工锚杆钻机为例，尽管部分实现了液控的自动运行，但是安装锚杆、拆装钻杆和药卷等动作仍需手动作业，更为落后的人工单体锚杆机仍然大量在井下使用[1-2]。人工对顶板和侧帮进行维护，不仅对操作人员体能消耗大；而且极为恶劣的粉尘环境和空顶区易冒顶等因素严重威胁着操作人员的身心健康和安全。

国外采矿设备制造商为了克服以上困难，纷纷开展了无人操作的自动支护设备的研制。支护设备制造商Fletcher公司推出了Fletcher 3000系列全自动锚杆钻车。美国煤机设备制造商JOY公司早在1980年初就开展了自动单臂锚杆钻车的研制，于2012年推出了最新的全自动锚杆钻机。

为了实现国内巷道锚护高安全性、高速度、低工作强度的目标，开展锚杆支护设备全过程自动化、智能化的工作已迫在眉睫[3]。

全自动锚杆钻车是山西天地煤机装备有限公司根据市场需求并结合公司现有技术资源，研制的大支护断面的锚杆支护设备。该钻车可与多种掘进设备配套使用，既能作为主要支护设备完成整个巷道断面的锚杆支护工作，又能作为辅助支护设备补打顶板及侧帮锚杆，还能兼打锚索。同时，为全自动锚杆钻车建立了专门的实验台，对其进行了锚钻噪声测试。

1 技术方案与总体参数

全自动锚杆钻车主要由底盘、升降机构总成、临时支护、智能钻架、泵站、料斗、液压系统、除尘系统、电气系统及附件组成。其具体结构如图1所示。

1-底盘; 2-升降机构总成; 3-临时支护; 4-泵站; 5-料斗;6-附件; 7-液压系统; 8-电气系统; 9-除尘系统;

工作过程如下：临时支护首先接顶，其次升降机构总成将智能钻架升到适当位置接顶，在智能钻架完成顶锚后，旋转油缸将智能钻架旋转90°，接侧壁后打侧锚，完成后复位；钻车移动到下个位置，重复以上动作。

全自动锚杆钻车采用窄机身设计，结构紧凑小巧，布局合理。其具体技术参数如下：

外形尺寸/(mm×mm×mm)6 000×1 400×3 200质量/kg约16 000适应巷道/m2最大25爬坡能力/(°)16行走速度/(m·min-1)0～20钻杆转速/(r·min-1)500±50锚钻时间/min≤3

2 全自动锚杆钻车电液控制系统

全自动锚杆钻车的电气嵌入式控制系统由外部总线和内部总线2部分组成。外部总线连接智能钻架、变频电牵引定步距控制系统和自动干式除尘控制系统；内部总线连接煤层硬度分析系统、状态诊断系统、设备自检系统和状态检修系统。外部总线和内部总线通过中控主机连为一体，互相交联。控制系统如图2所示。

智能钻架通过设置锚护工艺参数，实现对系统运行程序的调整，以适应具体锚杆支护工艺要求。

全自动锚杆钻车定步距行走系统采用AC变频调速牵引行走系统代替传统液压马达行走系统。该行走系统具有行走响应速度快、调速精确等优点，速度闭环和电流闭环改善了行走系统的控制性能。

图2 全自动锚杆钻架嵌入式控制系统

自动干式除尘控制系统通过检测除尘系统吸风口负压，自动实现干式除尘系统启动、清灰和故障检测。

煤层硬度分析系统采用人工视觉煤层成像技术，通过人工视觉分析煤岩硬度，实现了钻孔成孔的参数自适应控制。

健康诊断系统可以实现故障诊断、报警保护、状态记录等功能。将数据传输到远程维护中心，远程维护中心通过对数据的分析，进行运行状态评判和维护建议。

设备启动自检及关联设备状态检测功能具有传感器自检功能。开机后，可以通过自检程序检测传感器是否有损坏情况。该功能有效降低了设备故障率，提高了系统可靠性。同时，对前后关联设备的状态进行检测，以决定锚杆机操作动作。

采用先进软件开发了全自动锚杆钻车状态显示界面。该界面主要包含了整机状态显示区、电机状态显示区和故障报警区。

全自动锚杆钻车的液压系统为开式系统[4-5]，实现了工作臂的动作和自动钻架的驱动。液压系统通过电磁阀、压力传感器与电气控制系统交联，实现了对整机的精确控制。

3 整机锚钻测试

全自动锚杆钻车整机于2019年2月进行了控制系统程序调试与功能测试，于3月初进行了岩石钻孔台测试。全自动锚杆钻车整机试验台为高6 m、长8 m的全金属框架结构。框架顶部的方箱内放置20 t的砂岩块来模拟顶板。整机试验台采用膨胀螺栓固定到水泥地面上，实现了稳定安全的测试环境。全自动锚杆钻车整机测试如图3所示。

测试共钻孔80多眼，深度2.5 m，设备运行正常，实现了行走、定位、锚护、铺网和药卷喷射的自动化，时间由4 min降低到3 min，成孔质量良好，满足设计指标要求。钻孔的效果如图4所示。

图3 全自动锚杆钻车实验

图4 全自动锚杆钻车钻孔效果

4 智能钻架噪声测试

全自动锚杆钻架噪声测试系统包括振动测试平台、信号采集块、计算机信号处理及测试数据的在线保存和发布等部分。具体配置是： LMS SCADAS SCR05 16+2+2通道数据采集前端； PDA控制器； LMS数据采集和分析软件； 国产传感器等附件。

智能钻架的锚箱运行到顶点时，锚杆仓侧声强分布如图5所示。从图5中可以得出，钻架上面部分钻孔噪声较大，为80.2 dB； 钻架下面声强分布在70 dB 左右(左下角失真)，比传统钻架噪声降低10%。

5 结论

全自动锚杆钻车提高了支护安全性与支护效率并减少了锚护人员数量，平均锚杆支护时间缩短了25%。传统锚钻系统一般1人最多操作1个钻臂，而智能锚护系统多个钻臂只需要1人巡检即可。

图5 智能钻架锚杆仓侧声强分布

全自动锚杆钻车实现锚杆作业工序——钻孔、上锚杆、紧固锚杆、锚杆连续供给等的全自动化；实现树脂药卷自动充填；具备姿态调整，且行走可本机操作和遥控操作；具备锚索支护功能。

全自动锚杆钻车对于提高巷道掘进的自动化水平和安全水平、降低钻架噪声、减轻低支护工作强度具有重要意义；同时，也为高效快速掘进系统向无人化、智能化发展提供了强有力的技术支撑。全自动锚杆钻车的研制成功，实现了煤炭行业“机械化减人，智能化换人”的夙愿，为我国安全矿井的建设增添了全新的保障手段。