煤矿巷道组合式锚杆钻机支护平台设计与应用*

汪劲涛

(山西省能源发展中心，山西 太原 030000)

0 引 言

随着快速掘进技术的不断发展，煤矿巷道支护变得越来越重要，煤矿巷道围岩的支护是保证煤矿产量和井下人员的生命健康安全的重要保障[1]。传统的煤矿巷道支护采用的是单机支护，也就是通过工人手持锚杆钻机进行单根锚杆的钻进，钻孔效率不高、钻孔工人的劳动强度比较大，钻孔精度受工人经验的影响较大，严重影响了巷道施工的进度，传统的锚杆钻机已经不适合当下的快速掘进和支护系统的发展[2]。

随着我国煤炭开采科技领域的不断发展，对煤矿巷道支护提出更高的要求。传统的单体锚杆钻机已经无法满足当前的掘进速度和支护速度，笔者设计了一种煤矿巷道组合式锚杆钻机支护平台，具有履带式移动装置、锚杆钻孔装置、顶部围岩临时支护装置等，可以实现对顶部围岩、侧帮围岩的同步钻进，一次完成多根锚杆孔打钻，一次完成对顶帮和侧帮围岩的加固，促进了巷道支护效率，对于提高煤矿产量和掘进量具有重要的意义。

1 组合式锚杆钻机支护平台结构设计和参数化建模

锚杆钻机是目前煤矿巷道支护中的关键支护设备，一般与掘进机进行配套，掘进与支护转载同步是未来的发展方向。煤矿井下巷道掘进工作环境比较恶劣，长期处于多尘、潮湿以及噪声大等环境中[3]。所以，组合式锚杆钻机整体结构需要满足煤矿井下复杂的工作环境条件要求，同时为保证实现多点同步打钻，掘进机同步跟进，提高钻孔速度和巷道支护速度，为此对组合式锚杆钻机设计提出如下要求。

(1) 组合式锚杆钻机在应对井下复杂条件的基础上，保证结构足够的强度和刚度，对顶板的临时支护强度，具有一定的承载能力。

(2) 组合式锚杆钻机采用液压系统驱动，与掘进机共用一个液压泵站，在遇到大偏载工况下完成对巷道顶部的支护和钻孔，结构上具有较好的稳定性。

(3) 结构组成方面，由运动机构、打钻执行机构、动力源等部分组成，保证组合式锚杆钻机的前进性和通过性。

(4) 根据巷道支护的要求，完成顶部和侧帮的钻孔，实现一次同步5根锚杆的钻进，满足不同尺寸和长度锚杆的结构适配需求。

使用SolidWorks建立各个零部件的三维模型，随后进行智能装配，图1所示为组合式锚杆钻机联合作业平台结构组成图。

图1 组合式锚杆钻机三维模型图1.翻转千斤顶 2.移动千斤顶 3.滑动架 4.顶梁平台架 5.回转千斤顶 6.支撑柱 7.侧移平台架 8.履带 9.液压缸固定架10.内置液压钢 11.顶锚支撑架 12.顶部锚杆钻机 13.侧帮锚杆钻机 14.起升液压千斤顶 15.前梁

图1中，组合式锚杆钻机主要由履带行走机构、排钻千斤顶、支撑结构以及顶锚杆钻机、帮锚杆钻机等组成，结构比较简单。可以使用履带实现井下的移动和行走，并且可以实现对顶部的打钻和侧帮的打钻，通过液压系统进行控制，操作控制阀组实现对各个液压油缸以及履带行走机构进行控制，控制精度高，可靠性好，适合煤矿井下的环境。

2 组合式锚杆钻机电气液压控制系统

组合式锚杆钻机使用可靠性和稳定性比较高的液压系统进行控制，其中液压系统是保证锚杆钻机运行的关键部件。其中选择的比例多路阀是采用双重控制功能，一方面是实现手动控制，另外一方面可实现自动控制，实现控制系统的冗余，利用多点控制可以保证出现故障后及时处理。在组合式锚杆钻机中使用的是比例多路换向阀，在每一片比例阀上面都集成了一个定差减压阀和梭阀，定差减压阀控制阀片进出油压差使其保持在恒定水平，梭阀主要是对阀动作时将信号传递给油泵。图2所示为多路换向阀结构液压系统原理图。

图2 负载敏感多路换向阀液压系统原理图1.控制阀 2.变量泵 3.变量缸 4.负载敏感阀 5.高压切断阀6.液压缸 7.敏感单元

负载敏感多路换向阀液压系统主要由控制阀、变量泵、变量油缸、负载敏感阀等组成[4]，其中的负载敏感多路换向阀是一个组合阀，整体上由连接块、换向阀、尾板部件组成，负载敏感多路换向阀是为了控制液压执行元件(千斤顶液压缸)的运动以及履带执行元件的运动方向和调节独立于负载的运动速度，可以多个执行元件同时进行运动，获得不同的压力值和流量值，通过负载敏感多路换向阀使所有执行机构的流量总和达到泵输出的最大的排量。图3所示为阀组结构图。

图3 多路换向阀组示意图

图3为多路换向阀组结构示意图，使用手动进行控制，调节各个阀口的开闭，其中负载敏感换向阀阀口前设有定差减压阀，它的一侧作用着换向阀出口的负载压力和弹簧力，另一侧作用着换向阀进口压力，所以换向阀阀口前后的压力差值由弹簧力决定。当阀口开度不变，阀口的流量基本不变，使得控制执行元件的流量不受负载压力的影响。

3 组合式锚杆钻机电气控制系统设计

组合式锚杆钻机液压系统主要采用的是WLZ-72型电气液压系统，主要包括了遥控发射器、遥控接收器、32位运动专用控制器、开关电源、液晶显示器、负载敏感比例多路阀组等组成。通过手持遥控发射器实现对液压锚杆钻机的左帮锚、右帮锚、行走框架、顶锚的各部分动作进行无线遥控控制。其中KXJ2-60/1140(660)矿用隔爆兼本质安全型电控箱，产品执行国家有关隔爆产品的相关规定，本标准依据GB3836.1-2010爆炸性环境。具体控制流程如图4所示。

图4 组合式锚杆钻机控制流程图

组合式锚杆钻机控制流程图主要包括顶升过程、钻进过程和复位过程，均采用手柄通过按键控制操作，电气控制系统主要由隔爆兼本质安全型的控制柜、煤矿井下用的变压器、电源开关和显示器等部件组成，还包括信号线等附加配件，运动的控制器为移动设备以及车身的实际移动进行设计，利用可编程控制器进行控制，可编程控制器的软件编程是利用CODESYS 3.5,符合IEC61131-3标准，支持IL、LD、SFC、ST、CFC、FBD六种编程语言。通过CAN总线采集各种传感器信号，通过在控制器的输出和输出端子部分进行接线，输出可以直接驱动电液比例阀、实际开关阀、电压阀等多种阀组，最终采用运动专用控制器实现对主运动的控制。相对来讲，使用这套控制系统可以达到比较高的控制精度，控制系统的可靠性比较高，能够满足煤矿井下复杂工况下的控制要求。

4 应用效果

图5所示为组合式锚杆钻机现场应用图，通过现场应用表明：实现了多组锚杆钻机的并排打钻和临时顶板支护，该套组合式锚杆钻机能够实现多台锚杆钻机的同步钻进，控制系统精度较高，满足对顶板的临时支护强度要求，钻进速度和压力可调节，大大提高了煤矿巷道支护速度，有利于推进煤矿巷道开采速度和工程进度。

图5 现场应用图

5 结 语

由于传统的锚杆钻机仅仅能够实现单独打钻，打钻速度比较慢，从而引起支护速度比较慢，为此设计了1台组合式锚杆钻机支护平台，利用SolidWorks建立三维模型方案，并设计了电气液压控制系统，实现了多组锚杆钻机同步打钻，并且多个锚杆钻机可以实现不同速度和不同压力的钻孔，适应不同的围岩特性，大大提高了钻孔的效率和速度，有利于实现快速支护，对于加快煤矿巷道支护，提高煤矿巷道支护水平具有重要的意义和价值。