煤礦井下巷道底板錨索施工專用設(shè)備的研制與應(yīng)用
摘要：隨著煤礦開采技術(shù)的不斷深入,松軟巖層支護技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展，探索巷道支護機具的創(chuàng)新應(yīng)用和細致研究，對巷道掘進效率、安全生產(chǎn)和支護質(zhì)量十分必要。對此，本文以鐵煤集團小康煤礦巷道支護為切入點，通過對底板錨索施工現(xiàn)狀的分析，突出新技術(shù)在巷道支護中的積極作用，對自主研發(fā)的臺車式氣動底板錨索鉆機進行了全面介紹，以期促進巷道掘進速度和支護質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：松軟巖層 ?支護技術(shù) ?臺車式氣動底板錨索鉆機?
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1 背景介紹
鐵煤集團小康煤礦開采深度270-730米，地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖松軟，穩(wěn)定性差，隨著巖體應(yīng)力分布平衡狀態(tài)被破壞，巷道加速變形。為確保松軟巖層的巷道支護質(zhì)量，在巷道幫、頂支護上，通過采用錨索、錨桿、錨網(wǎng)+金屬棚+澆筑混凝土聯(lián)合支護技術(shù)，切實使巷道圍巖得到了有效控制。然而在底板支護上，受施工機具制約，一直沒有采用錨索支護,造成巷道底鼓嚴(yán)重，經(jīng)常維護，影響安全生產(chǎn)，增加經(jīng)濟投入，工人勞動強度大。
當(dāng)前，錨索施工常用氣腿式鑿巖機和風(fēng)煤鉆進行打眼和錨注。在幫頂錨索施工中，因成孔方位較好，施工較容易，成孔速度、質(zhì)量和效率較高。然而在底板錨索施工中，成孔方位向下且較深，使用常規(guī)機具，采取常規(guī)措施，施工難度較大。若采取設(shè)備固定和增加推進力等輔助措施，存在定位不精確，設(shè)備不牢固，鉆進不穩(wěn)、效率不高等諸多問題。為此，我們堅持問題導(dǎo)向，立足生產(chǎn)實際，加強技術(shù)攻關(guān)，自主研發(fā)了一種新型、高效的專用于巷道底板錨索施工的專用設(shè)備——臺車式氣動底板錨索鉆機，彌補了巷道支護短板。該設(shè)備以壓縮空氣為動力源，動力單一，安全可靠，結(jié)構(gòu)簡單，鉆機架設(shè)輔助時間短，移進速度快，操作輕松，極為方便，大大節(jié)省了勞動力，切實解決了底板支護難題，也有效降低了巷道維修投入。
2 臺車式氣動底板錨索鉆機技術(shù)性能
2.1 結(jié)構(gòu)組成
臺車式氣動底板錨索鉆機以井下壓風(fēng)為動力源，采用全氣動驅(qū)動。由機架、固定機構(gòu)、提升與推進機構(gòu)、鉆進機構(gòu)、行走機構(gòu)、穩(wěn)定與夾緊機構(gòu)、排塵集成系統(tǒng)、操作系統(tǒng)等組成。其結(jié)構(gòu)圖如下：
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圖1 ?臺車式全氣動底板錨索鉆機機結(jié)構(gòu)圖
1—機架，2—固定機構(gòu)，3—提升與推進機構(gòu)，4—鉆進機構(gòu)，
5—行走機構(gòu)，6—穩(wěn)定與鉆桿鎖緊機構(gòu)，7—排塵集成系統(tǒng)，8—操作系統(tǒng)
2.1.1機架
機架是由DN32焊接鋼管組合而成的框型結(jié)構(gòu)，用以固定其他結(jié)構(gòu)和部件，是鉆機結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)。
2.1.2固定機構(gòu)
固定機構(gòu)由固定在機架兩側(cè)的兩個單體風(fēng)動缸及機架底部支腿的四個螺旋調(diào)節(jié)支座聯(lián)合構(gòu)成。單體風(fēng)動缸風(fēng)桿端頭焊接一個圓鋼制作的椎體，風(fēng)桿伸出可直接頂在巷道頂板上。螺旋調(diào)節(jié)支座方便在底板高低不平的情況下調(diào)節(jié)機架的整體水平，保證鉆進成孔的垂直度。
2.1.3提升與推進機構(gòu)
提升與推進機構(gòu)主體為固定在機架上的一個單體風(fēng)動缸，風(fēng)動缸通過滑輪組和細鋼絲繩與鉆進機構(gòu)上下相連?；喗M穿繩方式設(shè)計成風(fēng)缸行程是鉆進機構(gòu)行程的2倍，目的是滿足風(fēng)缸行程需要和減少鉆機整體外形尺寸。
2.1.4鉆進機構(gòu)
鉆進機構(gòu)由風(fēng)煤鉆機、鉆頭、滑架和滑道組成?；朗褂?/span>Φ26的圓鋼制作兩端車扣用螺帽固定在機架上。風(fēng)煤鉆機固定在滑架上并與提升與推進機構(gòu)的細鋼絲繩連接，滑架可沿著滑道上下運動。鉆進時，風(fēng)煤鉆通過提升與推進風(fēng)缸及下部連接鋼絲繩給機頭一定的向下推進力。
2.1.5行走機構(gòu)
行走結(jié)構(gòu)由行走輪支座和充氣式輪胎組成，行走輪支座固定在機架上?？蓪崿F(xiàn)鉆機的快速移進。
2.1.6穩(wěn)定與鉆桿鎖緊機構(gòu)
穩(wěn)定與鉆桿鎖緊機構(gòu)分為鉆進時釬桿的穩(wěn)定裝置和退釬桿時的釬桿鎖緊裝置。穩(wěn)定裝置由固定在機架上的兩片鋼板通過穿銷連接組成略大于釬桿直徑的圓形限位孔。釬桿鎖緊裝置是由一個單體風(fēng)缸和齒輪聯(lián)動機構(gòu)組成，在鉆機反轉(zhuǎn)退卸上部釬桿時，用來夾緊下部釬桿防止下部釬桿轉(zhuǎn)動。
2.1.7排塵集成系統(tǒng)
排塵集成系統(tǒng)由封閉倉、吸塵機、粉塵收集袋、釬桿吹風(fēng)系統(tǒng)組成。封閉倉預(yù)留鉆桿通過孔叩放在底板上，在鉆進時，孔內(nèi)粉塵由高壓風(fēng)從鉆孔內(nèi)吹出通過吸塵機進入到粉塵收集袋內(nèi)，達到環(huán)保降塵，改善作業(yè)環(huán)境的效果。
2.1.8操作系統(tǒng)
操作系統(tǒng)由控制閥、高壓膠管、連接件等組成。控制閥通過固定架固定在機架上，分上下兩部分。上部分兩個控制閥，分別控制鉆機機頭的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。下部分六個控制閥，由總風(fēng)閥和左右固定風(fēng)缸控制閥、提升與推進風(fēng)缸控制閥、鎖緊裝置風(fēng)缸控制閥、釬桿吹風(fēng)控制閥和吸塵機控制閥。
2.2 技術(shù)參數(shù)
????底板錨索鉆機整體外形尺寸1.3/0.5/2.4m，額定工作壓力0.5Mpa，提升與推進風(fēng)缸行程0.8m雙循環(huán)，固定機構(gòu)風(fēng)缸行程1.3m，風(fēng)煤鉆轉(zhuǎn)速260r/min,扭矩110n/m，鉆桿采用中空螺旋鉆桿，直徑30mm,長度1000mm。適應(yīng)巷道高度最低2.6m,最高4.6m。 鉆孔直徑35mm，鉆孔深度15m,整機重量約65kg。
2.3 操作方法
2.3.1穩(wěn)機
以人力將底板錨索鉆機平推到施工地點，豎直立好。接通壓風(fēng)風(fēng)源，控制提升與推進風(fēng)缸控制閥將風(fēng)煤鉆提升至最大高度后安裝釬桿。然后再次控制提升與推進風(fēng)缸進行孔位定位。通過調(diào)整機架和機架底部的螺旋支座使整機水平，釬桿垂直，精準(zhǔn)定位孔位。操作左右固定機構(gòu)風(fēng)缸控制閥將風(fēng)桿伸出頂在巷道頂板上。利用釬桿穩(wěn)定裝置將釬桿限位，安裝排矸集塵裝置，完成鉆進前鉆機穩(wěn)固和準(zhǔn)備工作。
2.3.2鉆孔
開通鉆桿吹風(fēng)和排矸裝置吸塵機風(fēng)閥，然后控制風(fēng)煤鉆正轉(zhuǎn)控制閥和提升與推進風(fēng)缸控制閥，給風(fēng)煤鉆一定的向下推力，使釬桿逐步向下鉆進。邊鉆進，孔內(nèi)的矸石粉末由高壓風(fēng)吹出，通過吸塵機收集到矸石收集袋內(nèi)。一段釬桿鉆進結(jié)束后，接上另一段釬桿繼續(xù)鉆進，直到達到設(shè)計要求的鉆孔深度。
2.3.3退鉆桿
達到鉆孔設(shè)計深度后，關(guān)閉鉆桿吹風(fēng)和吸塵機風(fēng)閥，移開排矸系統(tǒng)。操作釬桿鎖緊裝置將第二段釬桿鎖緊。再同時操作提升與推進風(fēng)缸及風(fēng)煤鉆反轉(zhuǎn)風(fēng)閥將第一段段釬桿卸下。然后再將風(fēng)煤鉆與第二段釬桿連接，打開鎖緊裝置將下一整段錨桿退出，直到第三段釬桿可以用鎖緊裝置鎖住的位置。操作鎖緊裝置和風(fēng)煤鉆將第二段釬桿卸下。重復(fù)上述程序直到將全部釬桿從鉆孔內(nèi)提出。
2.3.4注錨索
向孔內(nèi)放入樹脂錨固劑，更換風(fēng)煤鉆鉆機錨索連接裝置，將錨索一端引入鉆孔內(nèi)。操作風(fēng)煤鉆逐步將錨索注入到鉆孔內(nèi)，完成錨索打注。
3底板錨索鉆機的應(yīng)用
該底板錨索鉆機研制成功后，首先在小康礦西三軌道大巷變電硐室內(nèi)進行應(yīng)用實踐。
西三軌道大巷變電硐室巷道設(shè)計高度3.8米、寬度5米、掘進斷面21平方米。支護設(shè)計為幫頂壁后注0.3米厚混凝土、底板打注7.3米錨索，眼孔注滿525級水泥漿，鋪設(shè)直徑22毫米舊錨桿焊接成孔距0.2x0.2米鋼筋片，鋪設(shè)200厚混凝土，底板錨索布置1.6米x1.6米。
該鉆機整機由副井下井運輸?shù)绞┕さ攸c，以掘進時鋪設(shè)的臨壓風(fēng)管路為風(fēng)源。操作人員經(jīng)過培訓(xùn)，能夠熟練掌握鉆機的工作原理和技術(shù)性能，嚴(yán)格按照制定的安全技術(shù)措施進行成孔和打注錨索作業(yè)。在鉆進過程中鉆桿在風(fēng)煤鉆的旋轉(zhuǎn)和提升與推進機構(gòu)的推力下鉆進速度較快，工作比較平穩(wěn)，孔內(nèi)巖粉在鉆桿吹風(fēng)系統(tǒng)中的高壓氣流沖擊下排出正常，沒有出現(xiàn)中間夾鉆桿現(xiàn)象。巖粉大部分進入收集袋內(nèi)，少部分外散，粉塵得到了有效的控制。在退鉆桿過程中，鉆桿鎖緊機構(gòu)能夠牢牢將鉆桿鎖住。我們以10根錨索為一個試驗組，在施工速度上最快的10分鐘，最慢15分鐘，平均12分鐘，在施工質(zhì)量上成孔垂直度達到90%，成孔深度達到了100%。與幫頂錨索施工水平相對較，各方面指標(biāo)均達到了預(yù)期效果，使軟巖支護技術(shù)體系在底板支護中得到了充分的應(yīng)用。
4底板錨索鉆機的效益分析
4.1安全效益
臺車式氣動底板錨索鉆機的應(yīng)用，實現(xiàn)了高度機械自動化，相對于幫頂錨索施工機具不需要以人工領(lǐng)釬桿和穩(wěn)固機具，消除了鉆機在鉆進過程中由于機械震動和釬桿旋轉(zhuǎn)帶來的人員傷害。基本實現(xiàn)了人機分離操作，同時，在鉆機移進方面不需要人工搬運，只需要一人推動即可，消除了由于搬運沉重設(shè)備帶來的機械傷害，大大提高了安全系數(shù)，同時粉塵也得到了有效的的控制，消除了職業(yè)病危害。
4.2經(jīng)濟效益
鉆機結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)成部件都是煤礦常用的部件，取材方便，配件充足。且能夠自己加工制作，比購買成型設(shè)備節(jié)省了很大的購置費用。另外，相比于幫頂錨索施工機具的操作能夠節(jié)省一半的勞動力，大大降低了人工成本。同時，該設(shè)備的研制成功和使用，徹底解除了底板錨索施工機具的制約，使軟巖支護技術(shù)能夠在底板支護中得到充分應(yīng)用，使巷道底鼓問題得到有效解決，大大降低了巷道維修投入。
4.3社會效益
臺車式全氣動巷道底板錨索鉆機完全是自主設(shè)計研發(fā)的，在集團公司內(nèi)部尚屬首次，是對集團公司“一個堅持”“兩個引領(lǐng)”“三個協(xié)調(diào)”的總體思路的主動探索，是對公司大力推進科技創(chuàng)新工作的積極響應(yīng)，是進一步明確創(chuàng)新方向、增強創(chuàng)新意識、激發(fā)創(chuàng)新活力，推動公司高質(zhì)量發(fā)展的實踐自覺。
5結(jié)束語
臺車式全氣動巷道底板錨索鉆機的成功研制，為實施底板錨索支護，控制巷道底板變形提供了有力的技術(shù)支撐，實現(xiàn)了降低支護成本和作業(yè)強度，達到了減員增效、安全生產(chǎn)的目標(biāo)，在同行業(yè)中具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。
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作者簡介:??安喜平，男（1967-），高級工程師，畢業(yè)于中國國際經(jīng)濟學(xué)院，現(xiàn)任礦建公司經(jīng)理，聯(lián)系電話：024-76822358???移動電話：13941076138
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