巷道底板用气动锚索钻机的设计.pdf

4 8 煤 矿支 护 2 0 1 5年第 1期 巷道 底板 用气动锚 索钻机 的设计 李 雷 [ 淮北四兴工贸有限责任公 司，安徽 淮北 2 1 5 0 4 7 1 摘 要 针对 国 内煤矿 巷道底 板 锚 索成孔设 备 的现状 ，研 究 了一种煤 矿巷 道底板 用 气动锚索钻机 。该钻机具有冲击功能和高速气流排矸功能，解决了煤矿巷道底板锚 索施 工 成孔难 题 。 关键词 煤矿 巷道底板 气动钻机 排矸 破岩 巷道底鼓问题一直以来都是影响地下工 程安 全稳 定性 的主 要 因素之一 。底 鼓增 大顶 底板移近量 ，缩小巷道断面尺寸 ，妨碍正常 的运 输 、通行 和通 风 ，严 重 时还必 须停 产起 底维 修 ，耗费 大量 的人 力 、物力 。随着 开采 深度 的增 加 、巷道 断面 的增 大 ，底 鼓 问题愈 为 突出 。加强 底鼓 的治 理 ，对维护 巷道 的稳 定性 ，保 证地 下工 程正 常 的安全运 营具 有重 要作 用 。为此 ，淮 北 四兴工 贸有 限责任 公 司 与安 徽理 工 大学理 学 院合作 ，研究 制造 了巷 道底板用气动锚索钻机 。底板用气动锚索钻 机用 于 煤 矿 巷 道 底 鼓 治 理 时 钻 凿 底 板 锚 索 孑 L ，本钻机有独立 的操作平台，实现人机分 离操作 ，消除了钻孔过程中危险因素 。 2 国 内地锚 钻机 状况 及 问题 2 ． 1 国 内底 板 锚 杆 钻 机 状 况 煤 矿巷 道底板 安设 锚索 的关 键是 有适合 在煤 矿巷 道底 板上 钻孔 的机 具 。底板 钻孔 与 巷道顶 、帮钻孔的区别是 ，顶、帮部钻孔不 存在排矸 的问题 。在底板上钻孔 ，由于重力 作 用 ，破岩 产生 的碎 矸不 能 自行 排 出 ，聚集 在 孔 中的碎 矸对 钻杆 会产 生 阻力 矩作 用 ，且 阻力矩 随着 钻孔 深度 的加 深而 增大 ，由此 造 成钻杆钻速逐渐减慢 ，钻孔效率逐渐降低 ， 一 旦 阻力矩 大 于主动力 矩后 ，钻 机就 会停 止 工作 。 目前 ，国内多采 用注 高压水 方法 排 出碎 矸 来 降低 阻力矩 。由于在 破岩方 面没 有先 进 的手段，只靠钻头与岩石之间的研磨来达到 钻进的 目的，效率非常的低 ，当岩石较为软 弱时 ，钻进 的速 度就很 低 ；当遇 到强 度较 高 的岩 石时 ，钻进 的速 度就 更低 。 国 内现用 中 的巷 道底 板锚杆 索 钻 机 其与一般普通锚杆钻机工作原理基本一致 ， 不 同的是 ，将 钻头 向下设 计 ，同时设 计一 个 固定 装置 以便 钻机能 够稳 定 ，但 钻进 效率 都 非常 低 。也有设 计制 作 了 以电为驱 动 的液 压 底板 锚 杆 索 钻 机 ，虽 然 扭 矩 增 大 了 许 多，但仍然以钻头和岩石之间的研磨实现钻 进 ，因此钻进的速度依然很低 ，同时液压钻 机体积 过大 、重量 过重 ，移 动起来非 常 困 难 ，且影 响煤 矿巷 道 的正常运 营 ，所 以难 以 适用 。 为 了顺 利 排矸 ，有 采用麻 花钻 杆作 为排 矸手 段 ，但这 种钻 杆 因为与碎 矸之 间 的接触 面积 较 大 ，因此 阻力矩 很大 ，所 以钻进 深度 非 常有 限 。 目前 国内各 种应用 于煤矿 的底板 锚杆 索钻 机 ，在 一般 岩 体 中 的钻进 速 度 为 l m／ h ，也有个别用于底板注浆 目的的钻机 ， 降低 了 钻 孔 深 度 方 面 的要 求 一 般 2 m 左 2 0 1 5年第 1期 煤矿支护 4 9 右 ，在钻进 速度方 面提 高至 4 m／ h ，虽 能 满足安装注浆锚杆的要求 ，但满足不了底板 锚索 的要求 ，同时钻 进速 度方 面依 然太 慢 。 2 ． 2存 在 问题 分析 目前 用 于 煤 矿 巷 道 底 板 锚 杆 索 钻 机 ，无论是液压钻机还是气动钻机 ，若能满 足钻 孔深 度 的要求 ，则 不 能满 足钻 进速 度方 面的要求 ；若要提高钻进速度 ，钻孔深度则 必须降低 ；即使降低钻进深度 ，钻孔速度最 高也只能达到 2 ． 5 m／ h左右 ，这样的速度依 然是很 慢 的。问题存 在 的有 两个方 面的 因 素一是严重忽略了岩石的本质特征 ；二是 严重忽略了气流的能力 。 岩石 ，即使是软岩 ，也是具有较高强度 的物质 ，它 与 泥土 、砂 土完 全不 一样 。对 于 这 样 的物质 ，由于其 耐磨 性 能 良好 ，仅依 靠 钻 头对 其进 行研 磨 ，钻进 速度 是 可想 而知 。 底板锚杆 索钻机的排矸 ，不是依赖 于水 ，就是依赖于螺旋钻杆的旋转力。采用 水排矸时，一因水流速度有限，二 因水不具 备较高的压缩性能，很难形成喷发力 ，所以 排矸 效果 难 以达 到理 想 的效 果 。采 用螺 旋钻 杆排 矸 ，由于碎矸 与 钻杆之 间 的接触 面 积增 大 ，阻力 矩 大增 ，导致 钻孔 深 度有 限 ，同 时 螺 旋 排矸是 一 种质 点移 动式 排矸 ，矸 粒 移动 过 程 中受有 较 大 的阻力 ，所 以排 矸速 度 非常 有 限 ，从 而导 致钻进 速 度也 受 到限制 。 因此 ，底板锚杆 索钻机在成孔过程 中必须 考 虑 两 大 问 题 破 岩 手 段 和 排 矸 方 式 。要 想达 到钻 进速 度较 为理 想 的境 界 ，必 须具备最快捷的破岩手段和输送碎矸方式 。 3设计 思 路 1 冲 击碎 岩 自然 界 中 ，凡 是 强度较 高 的物 质 ，大多 具有一个共同的特性 耐磨性，岩石具备 耐磨的性质。对于这样 的耐磨物质 ，仅依靠 研磨的手段将其中的一部分物质从母体中分 离开来 是 十分 困难 的 ，因此 设计 钻机 时应 该 尽可能的不要采用研磨的手段实施钻进。实 际上 ，像岩 石这 类强 度较 高 的物质 还具 有 另 外一种共性脆性 ，正是这种脆性特征给 出了破 解 的思路 冲击碎 岩 ，因 为凡是 脆性 的物质均具有一个致命的弱点 ，怕冲击 。 2 高速气流排矸 对于同样 的环境 ，各种流体中，气体可 达到的最高运动速度要远远大于其它流体 ； 同样 ，处 于 流动气 体 中 的物 质 ，能够 获得 的 最高运动速度 同样大于处于其它流体 中的物 质能够获得的最高速度 。另外，气体具有较 大 的可压缩 性 ，这 种可 压缩 性会 导致 气流 在 受 到 一定 阻碍 后积 聚压 力 ，发生 间歇性 喷发 力 ，一方面以更快的速度将碎矸排 除孔外 ， 另 一 方面 可 以保 持 排 矸 通 道 的畅 通 ，因此 ， 煤矿巷道底板锚索成孔技术研究中，选用气 流 排矸 是 获 取 较 高 钻 进 速 度 最 好 的 手 段 之 一 ，这 是巷 道底 板用 气动 锚索 钻机 设计 的又 一 个基 本思 路 。 4 技术 性 能 1 结构 根据 上述 基本 思路 ，研 发 了巷道 底板 用 气动锚索钻机 。该钻机是一种新型、高效的 煤矿井下用凿岩设备 ，主要用于煤矿巷道底 鼓治理时钻凿底板锚索孔使用 ，具有冲击功 能和高速气流通过孔底并经钻杆与孔壁之间 的空隙流向孔 口的功能 。 巷 道底 板用 气 动锚索 钻 机采用 全 气动驱 动，由机架 、固定机构、回转变速机构、提 升与推进机构、冲击机构 、操作机构、移动 机构等组成 。整机 分为 主机和操作 台两个 部 分 。 1 钻 机工作 原 理 主机 与操 作 台之 间通过 胶 管连 接 ，压缩 空气 经进 气管 路 到达操 作机 构 ，操作 机构 共 包括 四组气 控阀 ，一组 控制 回转和变 速机 构、一组控制提升与推进机构、一组控制固 定机构、另一组控制冲击机构。钻机移至指 定地点后 ，将机架放正 ，通过扳动 固定机构 手柄 ，使压缩空气进人固定用汽缸 ，使之牢 5 0 煤矿支 护 2 0 1 5 年 第 1期 牢的顶在巷道顶板上，使机架充分固定 。机 架 固定后 慢慢 扳动 推进机 构气 控 阀手柄 ，是 马达上升至合理高度，安装钻杆。之后打开 回转机构控制阀使钻杆达到额定转速 ，同时 将冲击控气阀打开 ，钻机即在冲击作用下 自 行 钻进 ，一般 情况 下 ，在钻 进过程 中一 般无 需 控制钻 机 推进 ，完全 依靠 主机 机身 重力 即 可 ；若要 提 高推进 速度 ，则 可 以通过 控制提 升与推进控制阀来达到目的。 钻 杆上 端与钻 杆 连轴器 相连 ，钻 杆下 端 与冲击器相连，启动汽缸中的风动马达 ，通 过 旋转 轴传 送至 变速 箱 ，经 过变 速箱 降低 转 速 ，同时增 大扭 矩 。 钻 头 的顶部设 有 出气孔 ，压 缩气 体在 冲 击器的冲击动力作用下产生足够压力 ，气体 通过出气孔使得形成高速气流将破碎后的矸 石 排 出 。 2 钻机技术参数 表 1 钻机主机技术参数 性能参数 数值 额定压力 ／ MP a O ． 4 O ． 5 0 ． 6 3 额定转矩 ／ N m 1 5 O 2 0 0 2 3 0 额定转 速／ r mi n 8 0 9 0 1 0 O 额定功率／ k W 1 ． 2 1 ． 8 2 ． 4 耗气量／ m。 mi n - 1 5 ． 2 6 ． 6 7 ． 2 最大负荷转矩／ Nm 3 2 0 3 5 0 4 0 0 动力启动转矩／ Nm 3 5 O 4 0 0 5 0 0 动力失速转矩／ Nm 4 4 0 5 5 0 6 0 0 空载转速／ r rai n 1 0 0 1 2 O 1 3 O 推进力／ k N 5 7 9 l 声 功 率 级 ／ d B A 1 2 0 l 声压 级／ d B A 1 0 0 钻孔直径／ mm 5 0 ～1 3 0 钻孔深度／ m ≤2 5 重 量 ／ k g 3 0 3 技 术特 点 ① 以压缩空气为动力源，动力单一 ，安 全 可靠 ； ②采用前置冲击机构 ，具有较高的凿岩 效率 ，钻机速度达到 8 ～1 2 m／ h ； ③结构简单 ，钻机架设辅助时间短 ，使 用方便 ； ④ 钻机 所有 操作 手柄 均集 中安装 与操 作 柜上 ，操作 台通 过胶 管连 接 主机 ，实现人 机 分离操作 ，解决 了钻孔过程中的危险性 ； ⑤钻机配有夹持卸杆装置 ，降低了工人 的劳动强度，提高了工作效率 。 5 应用情况 巷道底板用气动锚索钻机分别在淮南矿 业集 团顾桥煤矿、丁集煤矿 、潘三煤矿 、潘 一 东煤 ；在淮北矿业集团杨庄煤矿 、许疃煤 矿 、涡北 煤矿 、芦 岭煤 矿 、祁南煤 矿 ；在河 南煤化工集团顺和煤矿 、卓集煤矿、城郊煤 矿 、嵩山煤矿 、郭村煤矿、龙王庄煤矿、赵 固二矿 ；在山东张集煤矿、梁宝寺二号井煤 矿 、杨营煤矿，共计 4 0多个煤矿使用 。通 过一年多的实验室实验和 8 0多次的工业性 试 验 ，以及 4 0多 个 煤 矿 现 场应 用 表 明 ，该 钻机结构设 计合理 ，钻 进速度 为 8 ～ 1 2 m／ h ，能够快速完成煤矿巷道底板锚索 的钻孔 工作 。 6结论 巷道底板用气 动锚索钻机 的研制成功 ， 为治理煤矿底鼓这一顽症提供手段 ，标志着 长期 以来困扰我国煤矿生产的软岩巷道底鼓 的治理有 了更好的手段 ，它的使用 ，为煤矿 企业节约大量的巷道维修费用，有效地消除 底鼓灾害对煤矿企业安全、正常生产的不 良 影 响 ，具 有很 大 的经济 与社 会效益 。 作 者简 介 李 雷 男 ，1 9 8 2年 出生 。现 任淮北四兴工贸有 限责任公司技术厂长。联 系 电话 1 3 9 6 5 8 9 3 9 0 6 。 收稿 日期2 0 1 5年 O 1月 2 2日；责任编辑孙玉萍