浅谈锚杆钻机的发展现状.pdf

凿岩机械气动工具,2 0 0 63 煤巷锚杆支护是近年来发展较快的一种 井巷支护方法, 它通过锚入围岩内的锚杆, 使 支护体与围岩本身形成一个统一的能够承受 载荷的结构体, 俗称 “纳鞋底” 。 在提高岩体自 身的强度, 阻止或延缓围岩的变形发展, 保持 围岩的完整性和巷道断面形状,改善支护效 果、 降低支护成本, 加快成巷速度, 减少辅助 运输量和劳动强度,提高巷道断面利用率等 方面有突出的优越性,正日益受到世界各主 要产煤国的普遍重视, 应用越来越广泛, 代表 了煤巷支护技术的发展方向。每年我国国有 重点煤矿掘进的六百多万米巷道,平均锚杆 支护率已达到5 0 , 国外先进采煤国平均锚 杆支护率往往超过8 0 。 锚杆钻机是实现锚杆支护技术的机械设 备, 随着锚杆支护技术的飞速发展, 用于钻凿 锚杆孔的锚杆钻机也得到了快速发展。本文 阐述了目前煤矿专用锚杆钻机的现状,希望 对今后锚杆钻机的研制和生产有所参考。 1国外锚杆钻机技术发展状况 国外锚杆钻机的品种与功能多样,技术 性能优越, 可靠性高。在国外目前应用较为普 遍的单体锚杆钻机主要有气动和液压两种。 气 动锚杆钻机有澳大利亚的克莱姆公司WO M - B A T型、 阿明克公司G O P H E R型、 瑞典P R B - 3 0 0型等;液压锚杆钻机有英国WI S P型、 澳 大利亚P R O B A M型等。美国煤矿大量使用塔 架钻车式锚杆钻机, 并着手开发计算机控制的 全自动锚杆钻机。 法国生产的转架式锚杆钻机 集钻孔、 安装锚杆为一体, 并有储存锚杆的锚 杆仓。 芬兰生产具有树脂注射系统的钻车式锚 杆机, 使钻孔、 安装锚杆、 注入粘结剂全由锚杆 机完成, 机械化程度颇高。澳大利亚有4家锚 杆钻机生产厂家, 生产各种不同类型的锚杆钻 机, 在气动锚杆钻机方面一直保持着较为领先 的技术, 尤以单体气动支腿式锚杆钻机使用居 多, 并生产能与掘进配套的单体支腿式液压锚 杆钻机。 气动支腿式锚杆钻机主要有柱塞马达 与齿轮马达式两种,采用玻璃钢碳素纤维支 腿, 产品特点是重量轻、 扭矩大、 噪声低、 耗气 量小、 机身矮等。 新型锚机组的出现虽然时间很短,但在 国外受到重视, 发展很快, 无论是房柱式开采 还是长壁式开采,都采用性能优良、技术先 进、 操作维修方便、 应用范围广的锚杆钻机与 采掘设备配套的锚机组。如乔伊公司生产的 1 4 C M 1 0型采掘锚机组、1 2 E D 1 8型采掘锚机 组、 鲍拉特公司的E 2 3 0型采掘锚机组、 郎艾 道公司的R B 1 - 5 0 L型锚杆钻车等,班工作 效率已达1 2 0 ～ 2 4 0根。 2国内锚杆钻机的研制状况 我国煤矿专用锚杆钻机的研究始于2 0 世纪7 0年代末, 曾先后研制过机械支腿式锚 杆钻机、 钻车式锚杆钻机、 支腿与导轨式液压 锚杆钻机、 支腿式气动锚杆钻机、 非机构传动 电动锚杆钻机、 机载式锚杆钻机等等。 目前已 形成液压、 电动、 气动三大系列3 0多个品种。 下面分别予以介绍。 2 . 1液压锚杆钻机 液压锚杆钻机是通过液压马达驱动, 旋 设 备施 工 浅谈锚杆钻机的发展现状 邹 敢 淮南矿业集团 5 2 凿岩机械气动工具,2 0 0 63 转切削破岩的, 通常都附带泵站, 由泵站提供 动力, 带动液压马达转动。 现多采用低速转动 的结构, 省去齿轮传动机构, 直接带动钻机。 液压锚杆钻机可分为单体导轨式和手持 式两种形式 1 单体导轨式钻机主要是M Z等系 列, 由主机、 操纵架和泵站三大部分组成。这 种机型只能钻顶部锚杆孔, 但钻孔平稳, 一次 推进行程长。不足的是重量较重, 一般在7 0 k g以上, 移动费力; 2 手持式轻型钻机主要有Q Y M系列、 Z Y X系列。 这种机型不仅可钻顶部孔, 还可钻边 帮孔和工作面炮孔,而且重量轻,操作简单方 便。缺点是推进行程短, 一般需要换钎杆。 液压钻机的特点是噪声小, 钻孔速度快, 钻孔质量好,自带动力源,但由于泵站重量 大, 移动不方便。 一般地, 为减少泵站, 液压锚杆钻机常与 采掘机械或装岩机配套使用,结合在一起构 成采掘装锚机组 机载锚杆钻机 。该机实现 了采掘与支护平行作业,是快速采掘等工作 的理想设备, 这是采掘机械化的发展趋势, 目 前中科院南京所研制的机载锚杆钻机可与中 小型悬臂式掘进机 如E H J - 1 3 2,E B J - 1 6 0 H N等 配套, 构成掘锚机组, 掘出顶板即可 及时支护,距工作面最小支护间距为0 . 2 m, 适用于岩石硬度f 1 0的各种巷道;在P- 3 0 B型耙斗装岩机基础上加装液压锚杆钻机 改进的Y P - 3 0 B型液压耙斗钻装机等。 2 . 2电动锚杆钻机 电动锚杆钻机是由专用防爆电机驱动, 实现旋转切削的, 其结构形式多为便携式。 这 类钻机采用电动机与液压油缸相结合的形 式, 电动机安装在液压油缸顶端, 通过齿轮减 速, 带动钻孔主轴旋转。 电动锚杆钻机的特点是动力源单一, 不 需要二次能量转换, 能耗低, 效率高, 特别适 用于煤巷和回采巷道的支护。其主要缺点是 功率小,这是因为其功率增大受到电机重量 的限制。 2 . 3气动锚杆钻机 气动锚杆钻机以压气为动力,按破岩方 式可分为旋转冲击式和旋转式。气动旋转冲 击式又称手持式 或气腿式 凿岩机, 该类钻 机采用气动冲击凿岩, 具有钻孔速度快, 特别 适合在中硬岩石中钻孔, 同时动力单一, 重量 轻, 搬运方便, 操作简单。 其缺点是噪声大, 工 作环境较为艰苦, 影响工人的身心健康, 在气 压低时会影响钻孔效率。 气动旋转式锚杆钻机是2 0世纪8 0年代 我国在引进国外同类钻机的基础上开发的, 主要由气马达、 气腿和操纵臂组成。 现有的机 型有M F C系列、Q M Z系列、M 1 0 C系列等。 由 于多级伸缩式气腿采用工程塑料等新型材 料, 使重量减轻、 操作移动方便, 换上附件还 能安装树脂和水泥砂浆锚杆。不足之处是需 要有一定压力的气源,并且在压力较小的情 况下, 钻孔效率低, 有一定的局限性。 3我国煤矿用锚杆钻孔设备存 在的主要技术问题 3 . 1开发的品种多, 但性能适宜、 可靠性高 的产品不多 目前我国已开发了4 0多种型号的锚杆 钻机,但适于井下使用且可靠性较好的只有 3 ～ 4种产品, 当前正式投入使用的仅占已开 发产品总数的1 0 左右。目前锚杆钻机技术 发展状况有以下基本特点 1 单体气动回转式锚杆钻机是锚杆钻机 产品的主流, 在齿轮式、 柱塞式和叶片式三种 类型气马达中, 叶片式马达已基本淘汰, 齿轮 式马达与柱塞式马达在扭矩转速特性、 不同气 压下的性能、 噪声特性、 机重、 对润滑的要求与 抗污染等方面各有优缺点, 在不同使用条件下 都有各自的市场。总的来说, 国产气动锚杆钻 机的水平在逐步提高, 齿轮气马达式锚杆钻机 已基本能代替进口产品, 但玻璃钢支腿等部分 的可靠性应进一步提高; 柱塞马达式锚杆钻机 5 3 凿岩机械气动工具,2 0 0 63 尚处于小批量生产阶段, 尚需进一步考核; 2液压锚杆钻机输出的扭矩高于气动 锚杆钻机, 在某些场合下应用较好, 与掘进机 配套是较优越的工作方式。从目前已正式投 入使用的支腿式液压锚杆钻机来看,钻机输 出扭矩仍然偏低, 液压系统容易发热。 由于以 矿物油为工作介质,在煤矿井下使用中存在 安全隐患。 3 电动锚杆钻机的输出特性较差, 钻孔 速度较低,电机可靠性及防水性能存在严重 问题, 尚无良好的推进方式。因此, 尽管已鉴 定了多种电动锚杆钻机,但近期尚难大量用 于井下锚杆支护; 4已开发的钻车式与机载式锚杆钻机 都具有一定特点, 并取得一些效果, 但因煤矿 井下具体条件以及经济上的原因,近期难以 广泛应用。 5气动冲击式锚杆钻机基本以双级气 腿式为主, 因其结构较成熟, 可以在坚硬岩石 上钻进,尽管在某种岩石条件下的凿岩速度 低于回转式, 且噪声颇高, 仍被相当多地应用 于锚杆支护。 3 . 2锚杆钻机产品制造、使用管理不规范, 很多产品难以在井下连续使用 锚杆钻机的可靠性与产品设计、 制造、 使 用等因素有关。 目前来说, 锚杆钻机实际利用 率不高的主要原因是产品本身的可靠性问 题, 但使用中存在的问题也不容忽视。 1锚杆钻机产品可靠性不高主要来自 产品设计不成熟与加工质量不高。有的锚杆 钻机因性能盲目改进, 参数确定不合理, 从投 产起在井下工作无力, 产品性能提高缓慢; 有 些产品的生产过程无可靠的质量保证体系, 部件质量无法保证, 又缺乏必要的检测手段, 产品性能与质量无法控制,自然影响井下长 期使用。 近年来, 煤炭系统正式鉴定的锚杆钻 机有2 3种型号, 但在煤矿井下正式使用的只 有2 ～ 3种,其主要原因是成果质量不高, 又 没有做技术鉴定后的后续工作。 2锚杆钻机与钻具的产品管理问题严 重, 伪劣产品进入市场有可乘之机。 锚杆钻机 与钻具有一定技术含量,但结构并不十分复 杂,很多人看好煤矿锚杆支护量大面广的市 场。 有些人受经济利益驱动, 不按国家与煤炭 行业标准生产, 产品性能与可靠性低劣, 使煤 矿无法正常使用。有的厂家虽已批量生产锚 杆钻机与钻具, 但采取不正当手段推销产品, 对销售的产品不负质量责任。煤矿用户常常 不知道有哪些技术标准与锚杆钻机、钻具有 关, 盲目相信厂家的 “广告” , 采用未经技术鉴 定与法定检验的产品, 或购买不合格产品, 致 使企业遭受不必要的损失。 3钻头是回转式锚杆孔钻进设备的重 要钻具, 钻头型式、 国产硬质合金片的性能, 影响钻头的应用范围。 目前, 普通硬质合金的 岩石钻头主要适用于页岩、砂页岩及部分砂 岩 磨蚀性不高的砂岩 , 寿命为3 0 m左右。 高于常规钻头价格5 0 的国产优质合金钻 头, 可以钻进抗压强度6 0 ～ 8 0 M P a的中等磨 蚀性岩石, 寿命可达2 5 ～ 3 0 m。然而, 相当多 的生产厂家因受经济利益驱动,不按标准要 求组织生产, 硬质合金质量低劣, 工艺技术不 高, 产品寿命只有1 0 ～ 2 0 m, 甚至是5 ～ 1 0 m。 4煤矿锚杆孔钻进设备的前途 4 . 1气动和液压单体回转式锚杆钻机是一 个时期的主流 综观国外锚杆钻机发展历程以及国内多 方面实践, 针对煤矿经济状况与煤岩、 半煤岩 巷道的具体特点,单体回转式锚杆钻机是一 个时期内的主流。 从目前技术现状看, 在具有 压缩空气源的条件下,气动回转式锚杆钻机 仍为首选产品。 但是, 如何解决压缩空气工作 压力不足, 合理选择压缩空气管网系统, 正确 确定空压机及其动力系统的技术参数,开发 新型的提高压缩空气压力的机械设备,将成 为进一步发挥气动锚杆钻机作用的关键。 气动回转式锚杆钻机中,采用柱塞式马 5 4 凿岩机械气动工具,2 0 0 63 达与齿轮式马达各有优缺点。两种不同类型 气动马达锚杆钻机的改进目标,是如何使钻 速高, 可靠性好, 维修费低。研究开发的核心 将是 合理的技术参数, 新材料, 先进工艺。 液压回转式锚杆钻机因其工作压力高、 扭矩大, 动力系统可不受外界影响, 在一些场 合下是合理的机型。 一个时期内, 液压锚杆钻 机主要用于与掘进机配套, 共用其液压泵站。 经过一定时期以后,用户会根据锚杆支护的 需要与具体条件, 进行综合技术经济分析, 在 适宜的场所确定采用液压回转式锚杆钻机。 由于液压锚杆钻机使用量的增加,矿物油介 质的安全性问题会日益突出,开发难燃液锚 杆钻机的问题将适时提到日程上来。今后回 转式锚杆钻机的发展前途,将是如何扩大钻 进岩石的范围、 提高产品可靠性与减轻机重。 电动锚杆钻机的动力单一,是理想的首 选机型。但因目前技术水平所限, 其支腿配套 方式、 扭矩转速等特性和电机防水耐潮性能差 等, 都制约了其发展。 在一定时期内, 电动锚杆 钻机产品仍会以 “技术攻关” 为基本特征。 4 . 2高新技术的发展有益于锚杆孔钻进技 术的变革 几十年来,锚杆孔钻进设备有了一定的 提高, 随着知识经济的发展, 锚杆钻机及其配 套钻具会逐渐有所变革,预计在以下方面会 引起产品的重大变化 1 结构参数的优化以及新材料的应用, 使单体锚杆钻机性能提高、 重量减轻。 采用了 高新技术的岩石钻头将使回转式钻进方式扩 大应用范围; 2 微电子技术在不同动力、 不同类型锚 杆钻机上的应用,可能会使锚杆钻机发生某 些根本性的变革, 例如改变钻机特性、 改善操 作性能、 提高可靠性等。 国外已探讨计算机控 制的锚杆孔钻进与锚杆安装的综合性自动化 设备。凿岩机器人的成功应用必将有力地促 进锚杆孔钻进设备的进步; 3 锚杆孔钻进设备的发展, 以锚杆支护 技术与凿岩技术的发展为基础,锚杆支护新 类型、新材料的出现会对锚杆钻机的结构参 数、 技术性能与功能提出新的要求。 锚杆钻机 的开发必须紧随锚杆支护的技术发展, 同时, 凿岩技术的发展会促进锚杆孔钻进设备的提 高。不同凿岩方式的研究以及通用凿岩机具 的研究成果都将会移植到锚杆孔钻进设备的 开发上来。 5结束语 随着煤炭工业的发展,锚杆支护技术的 应用越来越普遍,但由于我国锚杆钻机与国 外相比生产技术较为落后,尚不能完全满足 生产需求, 从以上介绍的机型种类来看, 还存 在不少问题, 需进一步提高与完善。 1 尽可能减轻钻机重量目前钻机的 推广应用因为其重量而受到了制约,所以应 进一步研制新结构, 改进传动方式, 在保证钻 机各项性能的条件下, 尽可能减轻重量, 这一 点对液压锚杆钻机尤为重要。 2 加强钻机的制造加工质量影响锚 杆钻机推广应用的另一个重要原因就是质量 问题。 如液压马达的漏油问题, 液压泵与液压 马达的寿命问题, 长时间使用效率明显下降。 气马达及控制阀、 密封件的可靠性等等。 3 避免更换钎杆多数手持式锚杆钻 机其钻孔机构都设置在气腿或油缸顶端, 钎 杆安装位置高, 钻机推进行程被缩短。 4提高钻机对岩石硬度的适用范围 现有钻机多适用于岩石硬度f ≤8的范围内钻 孔, 加之目前普遍存在着钻头质量问题, 故最 佳使用条件往往在f ≤6内,同样对于软岩锚 杆钻机支护, 也没有专门的钻孔机具, 因此开 发适应不同岩石硬度要求的钻机也是当务之 急。 总之,锚杆支护是近年来发展较快的新 型支护方式, 因具有支护可靠、 安全、 成本低、 速度快等特点, 必将迅速普及, 这为锚杆钻机 的市场开发开辟了广阔的天地。 5 5